Acero de baja aleación y alta resistencia
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| Otros materiales a base de hierro |
El acero de baja aleación de alta resistencia ( HSLA ) es un tipo de acero de aleación que proporciona mejores propiedades mecánicas o mayor resistencia a la corrosión que el acero al carbono . Los aceros HSLA se diferencian de otros aceros en que no están hechos para cumplir con una composición química específica sino más bien con propiedades mecánicas específicas. Tienen un contenido de carbono entre 0,05 y 0,25% para conservar la formabilidad y soldabilidad . Otros elementos de aleación incluyen hasta un 2,0% de manganeso y pequeñas cantidades de cobre , níquel , niobio , nitrógeno , vanadio , cromo , molibdeno , titanio , calcio , elementos de tierras raras o circonio . [1] [2] El cobre, el titanio, el vanadio y el niobio se añaden con fines de refuerzo. [2] Estos elementos están destinados a alterar la microestructura de los aceros al carbono, que suele ser un agregado de ferrita - perlita , para producir una dispersión muy fina de carburos de aleación en una matriz de ferrita casi pura. Esto elimina el efecto reductor de tenacidad de una fracción de volumen perlítico, pero mantiene y aumenta la resistencia del material al refinar el tamaño del grano, lo que en el caso de la ferrita aumenta el límite elástico en un 50% por cada reducción a la mitad del diámetro medio del grano. El fortalecimiento por precipitación también juega un papel menor. Sus límites elásticos pueden estar entre 250 y 590 megapascales (36 000 y 86 000 psi). Debido a su mayor resistencia y tenacidad, los aceros HSLA generalmente requieren entre un 25 y un 30 % más de energía para formarse, en comparación con los aceros al carbono. [2]
Se añaden cobre, silicio, níquel, cromo y fósforo para aumentar la resistencia a la corrosión. Se añaden circonio, calcio y elementos de tierras raras para el control de la forma de las inclusiones de sulfuro, lo que aumenta la conformabilidad. Estos son necesarios porque la mayoría de los aceros HSLA tienen propiedades sensibles a la dirección. La conformabilidad y la resistencia al impacto pueden variar significativamente cuando se prueban longitudinalmente y transversalmente a la fibra. Las curvas que son paralelas a la fibra longitudinal tienen más probabilidades de agrietarse alrededor del borde exterior porque experimenta cargas de tracción. Esta característica direccional se reduce sustancialmente en los aceros HSLA que han sido tratados para el control de la forma de sulfuro. [2]
Se utilizan en automóviles, camiones, grúas, puentes, montañas rusas y otras estructuras que están diseñadas para soportar grandes cantidades de estrés o que necesitan una buena relación resistencia-peso. [2] Las secciones transversales y estructuras de acero HSLA suelen ser entre un 20 y un 30 % más ligeras que un acero al carbono con la misma resistencia. [3] [4]
Los aceros HSLA también son más resistentes al óxido que la mayoría de los aceros al carbono debido a su falta de perlita, las capas finas de ferrita (hierro casi puro) y cementita en la perlita. [5] Los aceros HSLA suelen tener densidades de alrededor de 7800 kg/m 3 . [6]
La mayoría de las placas de blindaje militar están hechas de aceros aleados, aunque algunas armaduras civiles contra armas pequeñas ahora están hechas de aceros HSLA con temple a temperatura extremadamente baja. [7]
Clasificaciones
- Aceros corten : aceros que tienen una mejor resistencia a la corrosión. Un ejemplo común es el COR-TEN.
- Aceros laminados bajo control : aceros laminados en caliente que tienen una estructura de austenita altamente deformada que se transformará en una estructura de ferrita equiaxial muy fina al enfriarse.
- Aceros reducidos con perlita : aceros con bajo contenido de carbono que producen poca o ninguna perlita, pero sí una matriz de ferrita de grano muy fino. Se refuerzan mediante endurecimiento por precipitación.
- Aceros ferríticos aciculares : Estos aceros se caracterizan por una estructura de ferrita acicular muy fina de alta resistencia, un contenido de carbono muy bajo y una buena templabilidad .
- Aceros de doble fase : estos aceros tienen una microestructura de ferrita que contiene pequeñas secciones de martensita uniformemente distribuidas. Esta microestructura les otorga a los aceros un bajo límite elástico, una alta tasa de endurecimiento por deformación y una buena conformabilidad. [1]
- Aceros microaleados : Aceros que contienen adiciones muy pequeñas de niobio, vanadio y/o titanio para obtener un tamaño de grano refinado y/o endurecimiento por precipitación.
Un tipo común de acero microaleado es el HSLA de conformabilidad mejorada. Tiene un límite elástico de hasta 80.000 psi (550 MPa) pero cuesta solo un 24% más que el acero A36 (36.000 psi (250 MPa)). Una de las desventajas de este acero es que es entre un 30 y un 40% menos dúctil . En los EE. UU., estos aceros están dictados por las normas ASTM A1008/A1008M y A1011/A1011M para chapa metálica y A656/A656M para placas. Estos aceros se desarrollaron para la industria automotriz con el fin de reducir el peso sin perder resistencia. Algunos ejemplos de usos incluyen vigas de intrusión de puertas, miembros de chasis, soportes de refuerzo y montaje, piezas de dirección y suspensión, parachoques y ruedas. [2] [8]
Grados SAE
La Sociedad de Ingenieros Automotrices (SAE) mantiene estándares para los grados de acero HSLA porque a menudo se utilizan en aplicaciones automotrices.
| Calificación | % Carbono (máximo) | % Manganeso (máximo) | % Fósforo (máximo) | % Azufre (máximo) | % Silicio (máximo) | Notas |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 942X | 0,21 | 1.35 | 0,04 | 0,05 | 0,90 | Tratado con niobio o vanadio |
| 945A | 0,15 | 1.00 | 0,04 | 0,05 | 0,90 | |
| 945C | 0,23 | 1.40 | 0,04 | 0,05 | 0,90 | |
| 945X | 0,22 | 1.35 | 0,04 | 0,05 | 0,90 | Tratado con niobio o vanadio |
| 950A | 0,15 | 1.30 | 0,04 | 0,05 | 0,90 | |
| 950B | 0,22 | 1.30 | 0,04 | 0,05 | 0,90 | |
| 950C | 0,25 | 1.60 | 0,04 | 0,05 | 0,90 | |
| 950D | 0,15 | 1.00 | 0,15 | 0,05 | 0,90 | |
| 950X | 0,23 | 1.35 | 0,04 | 0,05 | 0,90 | Tratado con niobio o vanadio |
| 955X | 0,25 | 1.35 | 0,04 | 0,05 | 0,90 | Tratado con niobio, vanadio o nitrógeno |
| 960X | 0,26 | 1.45 | 0,04 | 0,05 | 0,90 | Tratado con niobio, vanadio o nitrógeno |
| 965X | 0,26 | 1.45 | 0,04 | 0,05 | 0,90 | Tratado con niobio, vanadio o nitrógeno |
| 970X | 0,26 | 1,65 | 0,04 | 0,05 | 0,90 | Tratado con niobio, vanadio o nitrógeno |
| 980X | 0,26 | 1,65 | 0,04 | 0,05 | 0,90 | Tratado con niobio, vanadio o nitrógeno |
| Calificación | Forma | Resistencia al rendimiento (mín.) [psi (MPa)] | Resistencia máxima a la tracción (mín.) [psi (MPa)] |
|---|---|---|---|
| 942X | Placas, formas y barras de hasta 4 pulg. | 42.000 (290) | 60.000 (414) |
| 945A, C | Chapa y tira | 45.000 (310) | 60.000 (414) |
| Placas, formas y barras: | |||
| 0–0,5 pulg. | 45.000 (310) | 65.000 (448) | |
| 0,5–1,5 pulgadas | 42.000 (290) | 62.000 (427) | |
| 1,5–3 pulgadas | 40.000 (276) | 62.000 (427) | |
| 945X | Láminas, tiras, placas, perfiles y barras de hasta 1,5 pulg. | 45.000 (310) | 60.000 (414) |
| 950A, B, C, D | Chapa y tira | 50.000 (345) | 70.000 (483) |
| Placas, formas y barras: | |||
| 0–0,5 pulg. | 50.000 (345) | 70.000 (483) | |
| 0,5–1,5 pulgadas | 45.000 (310) | 67.000 (462) | |
| 1,5–3 pulgadas | 42.000 (290) | 63.000 (434) | |
| 950X | Láminas, tiras, placas, perfiles y barras de hasta 1,5 pulg. | 50.000 (345) | 65.000 (448) |
| 955X | Láminas, tiras, placas, perfiles y barras de hasta 1,5 pulg. | 55.000 (379) | 70.000 (483) |
| 960X | Láminas, tiras, placas, perfiles y barras de hasta 1,5 pulg. | 60.000 (414) | 75.000 (517) |
| 965X | Chapas, tiras, placas, perfiles y barras de hasta 0,75 pulg. | 65.000 (448) | 80.000 (552) |
| 970X | Chapas, tiras, placas, perfiles y barras de hasta 0,75 pulg. | 70.000 (483) | 85.000 (586) |
| 980X | Chapas, tiras y placas de hasta 0,375 pulg. | 80.000 (552) | 95.000 (655) |
| Rango | Soldabilidad | Formabilidad | Tenacidad |
|---|---|---|---|
| El peor | 980X | 980X | 980X |
| 970X | 970X | 970X | |
| 965X | 965X | 965X | |
| 960X | 960X | 960X | |
| 955X, 950C, 942X | 955X | 955X | |
| 945C | 950C | 945C, 950C, 942X | |
| 950B, 950X | 950D | 945X, 950X | |
| 945X | 950B, 950X, 942X | 950D | |
| 950D | 945C, 945X | 950B | |
| 950A | 950A | 950A | |
| Mejor | 945A | 945A | 945A |
Laminación controlada de aceros HSLA
Mecanismo
Rodamiento controlado
El laminado controlado es un método de refinación del grano del acero mediante la introducción de una gran cantidad de sitios de nucleación de ferrita en la matriz de austenita mediante el laminado a una temperatura controlada con precisión, lo que aumenta la resistencia del acero. Existen tres etapas principales en el laminado controlado: [12]
1) Deformación en las zonas de recristalización . En esta etapa se recristaliza y refina la austenita, lo que permite el refinamiento de los granos de ferrita en una etapa posterior.
2) Deformación en regiones de no recristalización. Los granos de austenita se alargan mediante el laminado. También pueden presentarse bandas de deformación dentro de la banda. Los límites de grano alargados y las bandas de deformación son sitios de nucleación para la ferrita.
3) Deformación en la región bifásica austenita-ferrita. Los nucleos de ferrita y la austenita se endurecen aún más por deformación.
Mecanismo de fortalecimiento
Los aceros HSLA laminados de control contienen una combinación de diferentes mecanismos de fortalecimiento. El principal efecto de fortalecimiento proviene del refinamiento del grano ( fortalecimiento del límite de grano ), en el que la resistencia aumenta a medida que disminuye el tamaño del grano. Los otros mecanismos incluyen el fortalecimiento por solución sólida y el endurecimiento por precipitado a partir de elementos microaleados. [13] [14] Después de que el acero pasa la temperatura de la región de austenita-ferrita, se fortalece aún más mediante endurecimiento por deformación . [13] [12]
Propiedades mecánicas
Los aceros HSLA laminados bajo control suelen tener mayor resistencia y tenacidad, así como una temperatura de transición dúctil-frágil más baja [14] y propiedades de fractura dúctil. [13] A continuación, se presentan algunos elementos microaleados comunes que se utilizan para mejorar las propiedades mecánicas.
Efecto de los elementos microaleados
Niobio: El Nb puede aumentar la temperatura de recristalización en alrededor de 100 °C, [12] extendiendo así la región de no recristalización y ralentizando el crecimiento del grano. El Nb puede aumentar tanto la resistencia como la tenacidad mediante el fortalecimiento por precipitación y el refinamiento del grano. [14] Además, el Nb es un fuerte formador de carburo/nitruro, el Nb(C, N) formado puede obstaculizar el crecimiento del grano durante la transición de austenita a ferrita. [14]
Vanadio: V puede aumentar significativamente la resistencia y la temperatura de transición mediante el fortalecimiento del precipitado. [14]
Titanio: El Ti tiene un ligero aumento en su resistencia a través del refinamiento del grano y del fortalecimiento del precipitado.
Nb, V y Ti son tres elementos de aleación comunes en los aceros HSLA. Todos ellos son buenos formadores de carburo y nitruro, [12] donde los precipitados formados pueden prevenir el crecimiento del grano al fijar el límite de grano. También son formadores de ferrita, lo que aumenta la temperatura de transición de la región de dos fases austenita-ferrita y reduce la región de no recristalización. [12] La reducción en la región de no recristalización induce la formación de bandas de deformación y límites de grano activados, que son sitios alternativos de nucleación de ferrita distintos de los límites de grano. [12]
Otros elementos de aleación se utilizan principalmente para el fortalecimiento de soluciones sólidas, incluidos silicio, manganeso, cromo, cobre y níquel. [14]
Referencias
- ^ ab "Clasificación de aceros al carbono y de baja aleación" . Consultado el 6 de octubre de 2008 .
- ^ abcdef "HSLA Steel". 15 de noviembre de 2002. Archivado desde el original el 30 de diciembre de 2009. Consultado el 11 de octubre de 2008 .
- ^ Degarmo, pág. 116.
- ^ Misma densidad que el acero al carbono, ver párrafo siguiente
- ^ Kant, Krishan; Kumar, Lalit; Verma, Kanika; Rawat, Deepak (10 de abril de 2016). "Efectos de varios parámetros de proceso mediante pruebas de tensión y tenacidad en la calidad de la junta soldada de acero HSLA durante la soldadura por arco sumergido". Revista internacional de investigación científica en ciencia, ingeniería y tecnología . 2 (2): 652–659. doi :10.32628/IJSRSET1622216 (inactivo el 1 de noviembre de 2024).
{{cite journal}}: CS1 maint: DOI inactivo a partir de noviembre de 2024 ( enlace ) - ^ "Propiedades del acero inoxidable para aplicaciones estructurales en automoción" (PDF) . Euro Inox. Junio de 2000. Archivado desde el original (PDF) el 28 de septiembre de 2007. Consultado el 14 de agosto de 2007 .
- ^ "Acero de protección balística Swebor Armor 500" (PDF) . Swebarmor . Archivado desde el original (PDF) el 2020-01-14 . Consultado el 2018-05-21 .
- ^ Chapa de acero laminada en frío, archivado desde el original el 2008-04-30 , consultado el 2008-10-11
- ^ Oberg, págs. 440-441.
- ^ Oberg, pág. 441.
- ^ Oberg, pág. 442.
- ^ abcdef Tamura, Imao (1988). Procesamiento termomecánico de aceros de baja aleación y alta resistencia . Butterworths. ISBN 978-0-408-11034-1.[ página necesaria ]
- ^ abc Morrison, WB; Chapman, JA (8 de julio de 1976). "Conferencia del centenario de Rosenhain - 3. Desarrollo de materiales presente y futuro 3.2 Rodamiento controlado". Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Serie A, Ciencias matemáticas y físicas . 282 (1307): 289–303. doi :10.1098/rsta.1976.0119. S2CID 136154334.
- ^ abcdef Tanaka, T. (enero de 1981). "Laminado controlado de chapas y flejes de acero". International Metals Reviews . 26 (1): 185–212. doi :10.1179/imtr.1981.26.1.185.
Fuentes
- Degarmo, E. Paul; Black, J T.; Kohser, Ronald A. (2003), Materiales y procesos en la fabricación (novena edición), Wiley, ISBN 0-471-65653-4.
- Oberg, E.; et al. (1996), Manual de maquinaria (25.ª edición), Industrial Press Inc.
