Acero aleado

Steel alloyed with a variety of elements

El acero aleado es acero que se alea con una variedad de elementos en cantidades entre 1,0% y 50% en peso, generalmente para mejorar sus propiedades mecánicas .

Tipos

Los aceros aleados se dividen en dos grupos: de baja y alta aleación. El límite entre ambos es controvertido. Smith y Hashemi definen la diferencia en un 4,0 %, ^[1] mientras que Degarmo et al. la definen en un 8,0 %. ^[2] La mayoría de los aceros aleados son de baja aleación.

Los aceros más simples son el hierro (Fe) aleado con (0,1% a 1%) carbono (C) y nada más (excepto ligeras impurezas); estos se llaman aceros al carbono . Sin embargo, el acero aleado abarca aceros con elementos de aleación (metálicos) adicionales. Los aleantes comunes incluyen manganeso (Mn) (el más común), níquel (Ni), cromo (Cr), molibdeno (Mo), vanadio (V), silicio (Si) y boro (B). Los aleantes menos comunes incluyen aluminio (Al), cobalto (Co), cobre (Cu), cerio (Ce), niobio (Nb), titanio (Ti), tungsteno (W), estaño (Sn), zinc (Zn), plomo (Pb) y circonio (Zr).

Propiedades

Los aceros aleados mejoran de diversas maneras su resistencia , dureza , tenacidad , resistencia al desgaste , resistencia a la corrosión , templabilidad y dureza en caliente . Para lograr estas propiedades mejoradas, el metal puede requerir un tratamiento térmico específico , combinado con estrictos protocolos de enfriamiento.

Aunque los aceros aleados se han fabricado durante siglos, su metalurgia no se comprendió bien hasta que la ciencia química avanzada del siglo XIX reveló sus composiciones. Los aceros aleados de épocas anteriores eran lujos costosos fabricados según el modelo de "recetas secretas" y forjados para fabricar herramientas como cuchillos y espadas. Los aceros aleados de la era de las máquinas se desarrollaron como aceros para herramientas mejorados y como aceros inoxidables recientemente disponibles . Los aceros aleados sirven para muchas aplicaciones, desde herramientas manuales y cubiertos hasta álabes de turbinas de motores a reacción y en reactores nucleares.

Debido a las propiedades ferromagnéticas del hierro , algunas aleaciones encuentran aplicaciones importantes donde sus respuestas al magnetismo son muy importantes, incluso en motores eléctricos y transformadores.

Aceros de baja aleación

**Principales aceros de baja aleación** ^[3]
Designación SAE	Composición
13xx	Manganeso 1,75%
40xx	Mo 0,20% o 0,25% o 0,25% Mo y 0,042% S
41xx	Cr 0,50% o 0,80% o 0,95%, Mo 0,12% o 0,20% o 0,25% o 0,30%
43xx	Ni 1,82%, Cr 0,50% a 0,80%, Mo 0,25%
44xx	Mo 0,40% o 0,52%
46xx	Ni 0,85% o 1,82%, Mo 0,20% o 0,25%
47xx	Ni 1,05%, Cr 0,45%, Mo 0,20% o 0,35%
48xx	Ni 3,50 %, Mo 0,25 %
50xx	Cr 0,27% o 0,40% o 0,50% o 0,65%
50xxx	Cr 0,50%, C 1,00% mín.
50Bxx	Cr 0,28% o 0,50%, y boro añadido
51xx	Cr 0,80% o 0,87% o 0,92% o 1,00% o 1,05%
51xxx	Cr 1,02%, C 1,00% mín.
51Bxx	Cr 0,80% y boro añadido
52xxx	Cr 1,45 %, C 1,00 % mín.
61xx	Cr 0,60% o 0,80% o 0,95%, V 0,10% o 0,15% mín.
86xx	Ni 0,55 %, Cr 0,50 %, Mo 0,20 %
87xx	Ni 0,55 %, Cr 0,50 %, Mo 0,25 %
88xx	Ni 0,55 %, Cr 0,50 %, Mo 0,35 %
92xx	Si 1,40% o 2,00%, Mn 0,65% o 0,82% o 0,85%, Cr 0,00% o 0,65%
94Bxx	Ni 0,45%, Cr 0,40%, Mo 0,12% y boro añadido
ES-1	Ni 5%, Cr 2%, Si 1,25%, W 1%, Mn 0,85%, Mo 0,55%, Cu 0,5%, Cr 0,40%, C 0,2%, V 0,1%

Ciencia de los materiales

Los elementos de aleación se añaden para lograr propiedades específicas en el resultado. Los elementos de aleación pueden afectar a múltiples propiedades: flexibilidad, resistencia, conformabilidad y templabilidad. ^[4] Como guía, los elementos de aleación se añaden en porcentajes más bajos (menos del 5 %) para aumentar la resistencia o la templabilidad, o en porcentajes más altos (más del 5 %) para lograr propiedades como resistencia a la corrosión o estabilidad a temperaturas extremas. ^[2]

Durante la fabricación del acero se añaden manganeso, silicio o aluminio para eliminar el oxígeno disuelto , el azufre y el fósforo .
Se añaden manganeso, silicio, níquel y cobre para aumentar la resistencia formando soluciones sólidas en ferrita.
El cromo, el vanadio, el molibdeno y el tungsteno aumentan la resistencia formando carburos de segunda fase .
El níquel y el cobre mejoran la resistencia a la corrosión en pequeñas cantidades. El molibdeno ayuda a resistir la fragilización.
El circonio, el cerio y el calcio aumentan la tenacidad al controlar la forma de las inclusiones.
El azufre (en forma de sulfuro de manganeso ), el plomo, el bismuto, el selenio y el telurio aumentan la maquinabilidad. ^[5]

Los elementos de aleación tienden a formar soluciones sólidas o compuestos o carburos.

El níquel es soluble en ferrita, por lo que forma compuestos, normalmente _Ni3Al .
El aluminio se disuelve en ferrita y forma los compuestos Al ₂ O ₃ y AlN. El silicio también es soluble y suele formar el compuesto SiO ₂ •M _x O _y .
El manganeso se disuelve principalmente en ferrita formando los compuestos MnS, MnO•SiO ₂ , pero también forma carburos: (Fe,Mn) ₃ C.
El cromo forma particiones entre las fases de ferrita y carburo en el acero, formando (Fe,Cr ₃ )C, Cr ₇ C ₃ y Cr ₂₃ C ₆ . El tipo de carburo que forma el cromo depende de la cantidad de carbono y otros elementos de aleación presentes.
El tungsteno y el molibdeno forman carburos; si contienen suficiente carbono y no hay elementos formadores de carburos más fuertes (es decir, titanio y niobio ), forman los carburos W2C _y Mo2C _, respectivamente.
El vanadio, el titanio y el niobio son elementos fuertes formadores de carburo, formando carburo de vanadio , carburo de titanio y carburo de niobio , respectivamente. ^[6]

Los elementos de aleación también tienen un efecto sobre la temperatura eutectoide del acero.

El manganeso y el níquel reducen la temperatura eutectoide y se conocen como elementos estabilizadores de la austenita. Con una cantidad suficiente de estos elementos, se puede obtener la estructura austenítica a temperatura ambiente.
Los elementos formadores de carburo elevan la temperatura eutectoide; estos elementos se conocen como elementos estabilizadores de ferrita. ^[7]

Efectos principales de los principales elementos de aleación para el acero ^[8]
Elemento	Porcentaje	Función primaria
Aluminio	0,95–1,30	Elemento de aleación en aceros nitrurados
Bismuto	—	Mejora la maquinabilidad
Boro	0,001–0,003	( Acero al boro ) Un poderoso agente de templabilidad.
Cromo	0,5–2	Aumenta la templabilidad
Cromo	4–18	Aumenta la resistencia a la corrosión.
Cobre	0,1–0,4	Resistencia a la corrosión
Dirigir	—	Maquinabilidad mejorada
Manganeso	0,25–0,40	Se combina con azufre y fósforo para reducir la fragilidad. También ayuda a eliminar el exceso de oxígeno.
Manganeso	>1	Aumenta la endurecimiento al reducir los puntos de transformación y hacer que las transformaciones sean lentas.
Molibdeno	0,2–5	Carburos estables ; inhibe el crecimiento del grano. Aumenta la tenacidad del acero, lo que convierte al molibdeno en un metal de aleación muy valioso para fabricar las piezas de corte de las máquinas herramienta y también las palas de las turbinas de los motores turborreactores . También se utiliza en motores de cohetes .
Níquel	2–5	Endurecedor
Níquel	12–20	Aumenta la resistencia a la corrosión.
Niobio	—	Estabiliza la microestructura
Silicio	0,2–0,7	Aumenta la fuerza
	2.0	Aceros para muelles
	Porcentajes más altos	Mejora las propiedades magnéticas.
Azufre	0,08–0,15	Propiedades de mecanizado libre
Titanio	—	Fija el carbono en partículas inertes; reduce la dureza martensítica en aceros al cromo
Tungsteno	—	También aumenta el punto de fusión.
Vanadio	0,15	Carburos estables; aumenta la resistencia manteniendo la ductilidad; promueve la estructura de grano fino. Aumenta la tenacidad a altas temperaturas

Microestructura

Las propiedades del acero dependen de su microestructura: la disposición de las diferentes fases , algunas más duras, otras con mayor ductilidad . A nivel atómico, las cuatro fases del acero para automóviles incluyen martensita (la más dura pero más frágil), bainita (menos dura), ferrita (más dúctil) y austenita (la más dúctil). Los fabricantes de acero organizan las fases manipulando intervalos (a veces solo segundos) y temperaturas del proceso de calentamiento y enfriamiento. ^[9]

Plasticidad inducida por transformación

Los aceros TRIP se transforman bajo deformación de relativamente dúctiles a relativamente duros bajo deformación como la que se produce en un accidente de coche. Dicha deformación transforma la microestructura austenítica en microestructura martensítica. Los aceros TRIP utilizan un contenido de carbono relativamente alto para crear la microestructura austenítica. El contenido relativamente alto de silicio/aluminio suprime la precipitación de carburo en la región de la bainita y ayuda a acelerar la formación de ferrita/bainita. Esto ayuda a retener el carbono para sostener la austenita a temperatura ambiente. Un proceso de enfriamiento específico reduce la transformación de austenita/martensita durante el conformado. Los aceros TRIP suelen requerir una retención isotérmica a una temperatura intermedia durante el enfriamiento, lo que produce algo de bainita. Los requisitos adicionales de silicio/carbono requieren una modificación del ciclo de soldadura, como el uso de soldadura pulsante o soldadura por dilución. ^[10]

En un enfoque, el acero se calienta a una temperatura alta, se enfría un poco, se mantiene estable durante un intervalo y luego se enfría. Esto produce islas de austenita rodeadas por una matriz de ferrita más blanda, con regiones de bainita y martensita más duras. El producto resultante puede absorber energía sin fracturarse, lo que lo hace útil para piezas de automóviles como parachoques y pilares. Hay disponibles tres generaciones de acero avanzado de alta resistencia. La primera se creó en la década de 1990, aumentando la resistencia y la ductilidad. Una segunda generación utilizó nuevas aleaciones para aumentar aún más la ductilidad, pero eran caras y difíciles de fabricar. La tercera generación está comenzando a adoptarse. Los patrones refinados de calentamiento y enfriamiento aumentan la resistencia a un cierto costo en ductilidad (en comparación con la segunda generación). Se afirma que estos aceros se acercan a casi diez veces la resistencia de los aceros anteriores y son mucho más baratos de fabricar. ^[10]

Véase también

Referencias

^ Smith y Hashemi 2001, pág. 393.
^ desde Degarmo, Black y Kohser 2007, pág. 112.
^ Smith y Hashemi 2001, pág. 394.
^ "¿Cuáles son los diferentes tipos de acero? | Blog de Metal Exponents". Metal Exponents . 2020-08-18 . Consultado el 2021-01-29 .
^ Degarmo, Black y Kohser 2007, pág. 113.
^ Smith y Hashemi 2001, págs. 394–395.
^ Smith y Hashemi 2001, págs. 395–396.
^ Degarmo, Black y Kohser 2007, pág. 144.
^ Johnson, Jr, John (5 de agosto de 2024). "Nuevas formas de acero para automóviles más resistentes y ligeros". Revista Knowable . doi : 10.1146/knowable-080524-1 .
^ ab Hickey, Kate (23 de junio de 2021). "Plasticidad inducida por transformación (TRIP)". Directrices de AHSS . Consultado el 21 de agosto de 2024 .

Bibliografía

Degarmo, E. Paul; Black, J T.; Kohser, Ronald A. (2007), Materiales y procesos en la fabricación (10.ª ed.), Wiley, ISBN 978-0-470-05512-0.
Groover, Mikell P. (26 de febrero de 2009). FUNDAMENTOS DE LA FABRICACIÓN MODERNA: materiales, procesos y sistemas. John Wiley & Sons, Inc.
Smith, William F.; Hashemi, Javad (2001), Fundamentos de la ciencia y la ingeniería de materiales (4.ª ed.), McGraw-Hill, pág. 394, ISBN 0-07-295358-6

[FOOTNOTESmithHashemi2001393-1] Smith y Hashemi 2001, pág. 393.

[FOOTNOTEDegarmoBlackKohser2007112-2] sde Degarmo, Black y Kohser 2007, pág. 112.

[FOOTNOTESmithHashemi2001394-3] Smith y Hashemi 2001, pág. 394.

[4] "¿Cuáles son los diferentes tipos de acero? | Blog de Metal Exponents". Metal Exponents . 2020-08-18 . Consultado el 2021-01-29 .

[FOOTNOTEDegarmoBlackKohser2007113-5] Degarmo, Black y Kohser 2007, pág. 113.

[FOOTNOTESmithHashemi2001394–395-6] Smith y Hashemi 2001, págs. 394–395.

[FOOTNOTESmithHashemi2001395–396-7] Smith y Hashemi 2001, págs. 395–396.

[FOOTNOTEDegarmoBlackKohser2007144-8] Degarmo, Black y Kohser 2007, pág. 144.

[9] Johnson, Jr, John (5 de agosto de 2024). "Nuevas formas de acero para automóviles más resistentes y ligeros". Revista Knowable . doi : 10.1146/knowable-080524-1 .

[:0-10] Hickey, Kate (23 de junio de 2021). "Plasticidad inducida por transformación (TRIP)". Directrices de AHSS . Consultado el 21 de agosto de 2024 .