Estudio y Ensayo de Materiales

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1 FACULTAD CATÓLICA DE QUÍMICA E INGENIERIA Fray Rogelio Bacon Estudio y Ensayo de Materiales Trabajo Práctico: Aceros Inoxidables Alumnos: De Benedetto, Rodrigo De Benedetto, Damián Letona, Federico Carrera: Ingeniería Industrial Año: 2008

2 Aceros Inoxidables Los Aceros Inoxidables son una gama de aleaciones de hierro y carbono que contienen un mínimo de 11% de Cromo. Algunos tipos de acero inoxidable contienen además otros elementos aleantes. Los principales son el níquel y el molibdeno. Es un tipo de acero resistente a la corrosión, el cromo que contiene posee gran afinidad por el oxígeno y reacciona con él formando una capa pasivadora extremadamente delgada, continua y estable que evita la corrosión del hierro contenido en la aleación. Esta película deja la superficie inerte a las reacciones químicas. Sin embargo, esta película puede ser afectada por algunos ácidos dando lugar a un ataque y oxidación del hierro por mecanismos ínter granulares o picaduras generalizadas. Esta es la característica principal de resistencia a la corrosión de los aceros inoxidables. Figura 2.1. Bobinas de acero inoxidable corrugado Los aceros inoxidables tienen una resistencia a la corrosión natural que se forma automáticamente, es decir no se adiciona. Tienen una gran resistencia mecánica, de al menos dos veces la del acero al carbono, son resistentes a temperaturas elevadas y a temperaturas criogénicas. El extenso rango de propiedades y características secundarias, presentes en los aceros inoxidables hacen de ellos un grupo de aceros muy versátiles. La selección de los aceros inoxidables puede realizarse de acuerdo con sus características: Resistencia a la corrosión y a la oxidación a temperaturas elevadas. Propiedades mecánicas del acero Características de los procesos de transformación a que será sometido. Costo total (reposición y mantenimiento) Disponibilidad del acero. 2

3 ALGUNOS USOS DE LOS ACEROS INOXIDABLES Los aceros inoxidables ofrecen resistencia a la corrosión, una adecuada relación resistencia mecánica - peso, propiedades higiénicas, resistencia a temperaturas elevadas y criogénicas y valor a largo plazo. Son totalmente reciclables y amigables con el medio ambiente. Los aceros inoxidables son ampliamente utilizados en varios sectores, desde la más sofisticada aplicación industrial hasta los utensilios domésticos. Contribuyen, de manera indirecta, a satisfacer las necesidades humanas básicas tales como alimentación, salud, construcción, medio ambiente, transporte y energía. Algunos ejemplos de productos fabricados con aceros inoxidables son los equipos de procesos químicos y petroquímicos, equipos de proceso de alimentos y bebidas, equipos farmacéuticos, cámaras de combustión, sistemas de escape y filtros automotrices, vagones de ferrocarril, aplicaciones arquitectónicas y estructurales, mobiliario urbano, paneles de aislamiento térmico, intercambiadores de calor, tanques y recipientes, barriles de cerveza, instrumentos quirúrgicos, agujas hipodérmicas, monedas, tarjas, ollas y sartenes, cubiertos, lavadoras, lavavajillas y utensilios de cocina. En la industria química y petroquímica, los aceros inoxidables ofrecen elevada resistencia a la corrosión y excelentes propiedades mecánicas así como un bajo costo de mantenimiento. En la industria de alimentos y bebidas y en la industria farmacéutica, proveen excelentes condiciones de higiene además de su resistencia a la corrosión y duración a largo plazo. CLASIFICACION DE LOS ACEROS Los aceros inoxidables no son indestructibles, sin embargo con una selección cuidadosa, sometiéndolos a procesos de transformación adecuados y realizando una limpieza periódica, algún integrante de la familia de los aceros inoxidables resistirá las condiciones corrosivas y de servicio más severas. Existen muchos tipos de acero inoxidable y no todos son adecuados para aplicaciones estructurales, particularmente cuando se llevan a cabo operaciones de soldadura. Hay varios grupos básicos de acero inoxidable clasificados de acuerdo con su estructura metalúrgica. Los aceros inoxidables que contienen solamente cromo, se llaman "ferríticos", ya que tienen una estructura metalográfica formada básicamente por ferrita. Son magnéticos, y se distinguen porque son atraídos por un imán. Estos aceros, con elevados porcentajes de carbono, son templables y, por tanto, pueden endurecerse por tratamiento térmico pasando a llamarse aceros inoxidables "martensíticos", por tener martensita en su estructura metalográfica. Los aceros inoxidables que contienen más de un 7% de níquel, se llaman "austeníticos", ya que tienen una estructura metalográfica en estado recocido, formada básicamente por austenita. No son magnéticos en estado recocido, y por tanto no son atraídos por un imán. Estos aceros austeníticos se pueden endurecer por deformación, pasando su estructura metalográfica a contener "martensita". En esta situación se convierten en parcialmente magnéticos. Los aceros inoxidables austeníticos 3

4 son, en general, los grupos más empleados en aplicaciones estructurales. Los aceros inoxidables austeníticos proporcionan una buena combinación de resistencia a la corrosión y de las propiedades de fabricación. Serie 400 Aceros Inoxidables Martensíticos Son la primera rama de los aceros inoxidables, llamados simplemente al Cromo y fueron los primeros desarrollados industrialmente (aplicados en cuchillería). Tienen un contenido de Carbono relativamente alto de 0.2 a 1.2% y de Cromo de 12 a 18%. Los tipos más comunes son el AISI 410, 420 y 431. Las propiedades básicas son: Elevada dureza (se puede incrementar por tratamiento térmico) y gran facilidad de maquinado, resistencia a la corrosión moderada. Principales aplicaciones: Ejes, flechas, instrumental quirúrgico y cuchillería. AISI 410 Presenta buena resistencia a la corrosión por humedad atmosférica, agua, vapor de agua. Debido a su dureza relativamente elevada éste acero se suministra en estado recocido para facilidad de maquinado. Es necesario hacerle tratamiento térmico de temple y revenido, estados donde se presenta mayor resistencia a la corrosión. Puede ser tratado térmicamente para lograr una dureza HRC. Es utilizado en aplicaciones donde se requiere alta resistencia mecánica. % C máx.: 0.15 % Mn máx.:1.00 % P máx.:0.040 % Si máx.:1.00 % Cr máx.:11.5/13.5 AISI 420 Descripción general Es inoxidable en atmósfera rural y urbana, en agua dulce y en diferentes agentes de corrosión. Puliendo la superficie se mejora su resistencia a la corrección. Tiene bastante resistencia al vapor sulfurado. Hasta 750 C tiene buena resistencia a la oxidación. Es ferromagnético. Tratamientos Forja: 1.100/900 C Recocido: Calentamiento a 880 C. Enfriamiento lento (20 C/h) hasta 600 C. Temple: Calentamiento lento y progresivo a 1.000/1.030 C. Enfriamiento al aceite o en el caso de pequeños espesores al aire. Revenido: Según las características deseadas. 4

5 Tratamientos térmicos Recocido: Se hace a unos 750º C, produciendo así austenita. Templado: La austenita se transforma en Martensita. Se puede templar al aire o en aceite. La Martensita es luego revenida para reducir tensiones y aumentar la tenacidad. Utilización Cuchillería. Moldes en la industria de vidrio y de materiales plásticos. Pernos para cadenas Galle. Pistones de bombas sumergidas en agua dulce. Distintas piezas mecánicas. Piezas para hornos. Instrumentos de medicina, instrumentos quirúrgicos. Resortes. Artículos para deportes. Propiedades Mecánicas (*) R = 700 MPa (71 Kg. /mm2) 0.2 = 380 MPa (39 Kg. /mm2) Al/4 = 27% = 55% Dureza = 200 HBN C: 0.38 % Cr: 13 % Serie 400 Aceros Inoxidables Ferríticos También se consideran simplemente al Cromo, su contenido varia de 12 a 18%, pero el contenido de Carbono es bajo: < 0.2%. Los tipos más comunes son el AISI 430, 409 y 434. Las propiedades básicas son: Buena resistencia a la corrosión. La dureza no es muy alta y no pueden incrementarla por tratamiento térmico. Principales aplicaciones: Equipo y utensilios domésticos y en aplicaciones arquitectónicas y decorativas. AISI 430 Descripción general Tiene mejor resistencia a la corrosión en todos los medios que los aceros inoxidables martensíticos y además resiste bien a los ácidos inorgánicos y orgánicos, productos alimenticios etc. En atmósfera rural y urbana no se oxida; en cambio, no es suficientemente inoxidable en atmósfera marina e industrial. No es templable. Puede endurecerse por deformación en frío. Es muy apto para estampar en frío. Recalentado a aproximadamente 475 C se vuelve frágil, pero en este caso puede recuperar sus propiedades mediante un recocido desde 600/650 C. Recalentando arriba de 900 C también se vuelve frágil. En este caso la ductilidad no es recuperable, salvo con trabajos termomecánicos. No es recomendable para soldar. Es ferromagnético. 5

6 Utilización Bulonería, tornillería, industria química, industria petroquímica, industria alimenticia, industria automotriz, artículos para el hogar, muebles, estanterías, decoraciones, piezas para lavarropas y heladeras. Tratamientos Forja: 900/750 C (temperatura final máx.: 800 C). Recocido de ablandamiento. Calentamiento a 680 C. Enfriamiento rápido Propiedades Mecánicas R = 540 MPa (55 Kg. /mm2) 0.2 = 295 MPa (30 Kg. /mm2) Al/4 = 35% = 80% Dureza = 140 HBN C: 0.08 % Cr: 17 % Tratamientos térmicos Para este se emplea únicamente el recocido dulce, con el objeto de reducir la dureza y la fragilidad que el acero tiene al ser mecanizado. Este recocido se hace a º Con enfriamiento subsiguiente al aire. No admite el temple, debido al bajo contenido de Carbono. Serie 300 Los Aceros Inoxidables Austeníticos. Son los más utilizados por su amplia variedad de propiedades, se obtienen agregando Níquel a la aleación, por lo que la estructura cristalina del material se transforma en austenita y de aquí adquieren el nombre. El contenido de Cromo varía de 16 a 28%, el de Níquel de 3.5 a 22% y el de Molibdeno 1.5 a 6%. Los tipos más comunes son el AISI 304, 304L, 316, 316L, 310 y 317. Las propiedades básicas son: Excelente resistencia a la corrosión, excelente factor de higiene - limpieza, fáciles de transformar, excelente soldabilidad, no se endurecen por tratamiento térmico, se pueden utilizar tanto a temperaturas criogénicas como a elevadas temperaturas. Principales aplicaciones: Utensilios y equipo para uso doméstico, hospitalario y en la industria alimentaria, tanques, tuberías, etc. 6

7 AISI 302 Altamente resistente a la corrosión. Altas propiedades mecánicas. % C máx.: 0.15 % Mn máx.: 2.00 % P máx.: % Si máx.: 1.00 % Cr máx.: 17/19 % Ni máx.: 8/10 % S máx.: AISI 303 ACERO INOXIDABLE AUSTENÍTICO (Corte Libre) Descripción general Tiene buena resistencia a la corrosión en atmósfera rural, urbana e industrial. No es recomendable para soldar. No es templable. En estado recocido (hipertemplado) no es ferromagnético. Tiene alto índice de maquinabilidad. Tratamientos Forja: 1.150/950 C Recocido (hipertemple) para ablandar y obtener su máxima resistencia a la corrosión: calentamiento a 1.050/1.100 C Enfriamiento: al agua Utilización Piezas fabricadas por tornos automáticos u otras maquinas de herramientas, teniendo una taza considerable de mecanización. Tener en cuenta que su resistencia a la corrosión en medios agresivos no es excelente. Nota: Este acero generalmente se suministra en estado recocido en forma de barras estiradas o rectificadas o peladas y pulidas. Propiedades Mecánicas R = 580 MPa (59 Kg. /mm2) 0.2 = 255 MPa (26 Kg. /mm2) Al/4 = 65% = 67% Dureza = 142 HBN C: 0.08 % S: min % 7

8 Cr: 17.5 % Ni: 9.5 % AISI 304 ACERO INOXIDABLE AUSTENÍTICO (Uso General) Descripción general Tiene buena resistencia a la corrosión en atmósfera industrial y marina. Resiste a casi todos los agentes de corrosión utilizados en la industria. Se suelda fácilmente. Puede soldar con metales no ferrosos (plomo-estaño, aleaciones en base de plata, etc.). No obstante, las zonas recalentadas deben ser sometidas a un hipertemple para mejorar la resistencia a la corrosión. No es templable. Puede endurecerse por deformación en frío. En estado recocido (hipertemplado) no es ferromagnético. Por la deformación en frío adquiere ferromagnetismo a medida que aumenta la tasa de deformación. Tiene maquinabilidad regular. Para mecanizar hay que usar herramientas de alta calidad que efectúen correctamente el corte bajo las altas presiones que se presentan en la mecanización (carburos sinterizados). Tratamientos Forja: 1.100/950 C. Recocido (hipertemple) para obtener dureza mínima y máxima resistencia a la corrosión: calentamiento a C. Enfriamiento al agua o en el caso de espesores muy pequeños, al aire. Utilización Uso general en atmósferas agresivas y en la industria química, construcción de edificios (decoraciones, rejillas, etc.), cubiertos (cucharas, tenedores, manguitos de cuchillas), industria cervecera, industria lechera, en cirugía, alambres, ganchos, agujas de inyección, herramientas de cirugía, piezas en reactores atómicos, piezas decorativas en la industria automotriz y aviación, artículos para el hogar, alambres, artículos de alambres (canastas, parrillas, rejillas, tejidos, zarandas, coladores), resortes, pernos para cadenas, artículos para oficinas (broches, clips, etc.), artículos sanitarios, artículos para deportes, orfebrería, industria vitivinícola e industria textil. Propiedades Mecánicas R = 570 MPa (58 Kg. /mm2) 0.2 = 245 MPa (25 Kg. /mm2) Al/4 = 67% = 77% Dureza = 142 HBN C: 0.06 % Cr: 18.5 % 8

9 Ni: 10 % Tratamientos térmicos Recocido austenítico, se calienta el acero entre unos º C, con libre admisión de aire manteniéndolo poco tiempo y enfriándolo rápidamente, con preferencia en agua. No admiten temple, pero mediante el mecanizado en frió se puede elevar considerablemente, tanto el limite de fluencia como el limite de ruptura. AISI 310 ACERO REFRACTARIO AUSTENÍTICO Descripción general Tiene excelente resistencia a la corrosión a la temperatura ambiente. En atmósfera oxidante puede usarse hasta 1150 C. A temperaturas elevadas en la superficie se forma una fina película tenaz que protege al acero contra el avance de la corrosión y evita el efecto directo de la Llama. En atmósfera sulfurosa la temperatura de servicio debe ser mas baja. Se puede soldar fácilmente, tanto por soldadura eléctrica como por autógena, utilizando material de aporte del mismo tipo de acero. Después de la soldadura no es necesario el tratamiento de recuperación (hipertemple). Tiene relativamente buena maquinabilidad entre los aceros austeníticos. En estado hipertemplado no es ferromagnético. Utilización A la temperatura ambiente se usa en el caso de piezas expuestas a medios extremadamente agresivos. Su utilización principal es en el caso de piezas y aparatos expuestos a altas temperaturas. (Piezas para hornos, canasta para temple y/o cementación, etc.) Propiedades Mecánicas R = 625 MPa (64 Kg. /mm2) 0.2 = 285 MPa (29 Kg. /mm2) Al/4 = 55% = 70% Dureza = 145 HBN Tratamientos Forja: 1.100/900 C Recocido (hipertemple) Calentamiento a C Enfriamiento al agua o en el caso de pequeños espesores al aire. C: 0.10 % Cr: 25 % 9

10 Ni: 21 % AISI 316 ACERO INOXIDABLE AUSTENÍTICO AL MOLIBDENO Descripción general Acero inoxidable austenítico al molibdeno. Tiene excelente resistencia a la corrosión prácticamente frente a cualquier agente corrosivo de concentración elevada y hasta temperaturas de aproximadamente 300 ºC. Se suelda fácilmente, pero en las zonas recalentadas si no se realizo hipertemple puede presentar corrosión intergranular. No es templable. Se puede endurecer por deformación en frío (alambres). En estado recocido (hipertemplado) no es ferromagnético. A medida que se deforma en frío, adquiere ferromagnetismo. En estado blando es apto para estampar en frío. Tratamientos Forja: 1.100/900 C Recocido (hipertemple) Calentamiento a C Enfriamiento al agua. Endurecimiento por trafilación en frío. Utilización Industria química, industria textil, industria fotográfica, industria de la pintura, industria de caucho, industria farmacéutica, industria alimenticia, industria lechera, industria de la carne, industria vitivinícola (vino blanco), industria del algodón, construcciones marítimas, artículos de alambres: mallas, rejillas, armazones, canastas (para pesca), etc. Propiedades Mecánicas R = 570 MPa (58 Kg. /mm2) 0.2 = 250 MPa (25.5 Kg. /mm2) Al/4 = 64% = 75% Dureza = 140 HBN C: 0.05 % Cr: 16.5 % Ni: 11.5 % Mo: 2.2 % AISI 316L ACERO INOXIDABLE AUSTENÍTICO AL MOLIBDENO Y DE BAJO C Descripción general Tiene las mismas características que el acero 304 L, pero la adición de Mo mejora su resistencia a la corrosión frente a ciertos medios muy activos, como 10

11 los siguientes: ácido acético concentrado (en caliente); ácido sulfúrico diluido; ácido fosfórico; soluciones alcalinas; ciertas soluciones salinas. Debido a su bajo contenido de C no presenta corrosión intergranular aun en estado recalentado. Se suelda fácilmente, pero para soldar hay que usar electrodos del mismo tipo de acero. Tratamientos Forja: 1.100/900 C Recocido (hipertemple): Calentamiento: C Enfriamiento: al agua o en caso de pequeños espesores al aire. Utilización Varillas de soldadura (electrodos revestidos), piezas en la industria química y petroquímica, industria textil, industria fotográfica, industria farmacéutica, industria de la pintura, industria alimenticia, industria lechera, industria de la carne, industria vitivinícola (vino blanco), industria del algodón, piezas y utensilios en la construcción marítima. Propiedades Mecánicas R = 540 MPa (55 Kg. /mm2) 0.2 = 195 MPa (20 Kg. /mm2) Al/4 = 65% = 75% Dureza = 138 HBN C: máx % Cr: 17.5 % Ni: 10.5 % Mo: 2.80 % COMPORTAMIENTO TENSIODEFORMACIONAL BASICO El comportamiento tensión-deformación del acero inoxidable difiere del comportamiento del acero al carbono en varios aspectos. La diferencia más importante reside en la forma de la curva tensión-deformación. Mientras el acero al carbono exhibe un comportamiento elástico lineal hasta su límite elástico y una zona plana antes del endurecimiento por deformación, el acero inoxidable presenta una curva tensióndeformación con forma más redondeada sin límite elástico definido (ver Figura 3.1). Por ello, el límite elástico del acero inoxidable se expresa, en general, en términos de una resistencia de prueba definida para un determinado valor de deformación remanente (convencionalmente la deformación del 0,2%), tal y como se muestra en la figura. En la Figura 2.2 se presentan otras curvas tensión-deformación experimentales típicas, representativas de los materiales acero al carbono y acero inoxidable. Dichas curvas no deben utilizarse en el dimensionamiento. 11

12 En cualquier caso, debe señalarse que el acero inoxidable puede absorber impactos considerables sin que sobrevenga la fractura, gracias a su excelente ductilidad (especialmente los grados austeníticos) y a sus características de endurecimiento por deformación. Figura 2.2. Curvas tensión-deformación típicas para el acero inoxidable y el acero al carbono en la condición de recocido (para tensión longitudinal). (σ0,2 es la resistencia de prueba del 0,2%) Los niveles de resistencia de los aceros inoxidables austeníticos aumentan con el trabajado en frío (tal como ocurre durante las operaciones de conformado en frío incluyendo el nivelado/aplanado mediante rodillo y también durante la fabricación). Asociada a esta mejora de los niveles de resistencia se produce una reducción de la ductilidad, aunque generalmente tiene poca consecuencia gracias a los altos valores iniciales de ductilidad, especialmente para los aceros inoxidables austeníticos. Tipos de ensayos: Hay dos tipos de ensayos para los aceros, unos que pueden ser destructivos y otros no destructivos. Ensayos no destructivos Los ensayos no destructivos son los siguientes: Ensayo microscópico y rugosidad superficial. Microscopios y rugosímetros. Ensayos por ultrasonidos. Ensayos por líquidos penetrantes. Ensayos por partículas magnéticas. 12

13 Ensayo de dureza (Brinell, Rockwell, Vickers). Mediante durómetros Ensayos destructivos Los ensayos destructivos son los siguientes: Ensayo de tracción. Ensayo de resiliencia. Ensayo de compresión. Ensayo de cizallamiento. Ensayo de flexión. Ensayo de torsión. Ensayo de plegado. Ensayo de fatiga. (LOS ENSAYOS ESTÁN DESCRIPTOS EN EL CD EN ANEXO TIPOS DE ENSAYO ) Todos los aceros tienen estandarizados los valores de referencia de cada tipo de ensayo al que se le somete. (*)Aclaración de las propiedades mecanicas anteriores: Carga de rotura o resistencia a la tracción Es el valor que nos expresa la mayor o menor resistencia de un material a romperse por tracción: R (Mpa) = F (N) S (mm2) Límite elástico Es el valor que explica la mayor o menor facilidad del material a alargarse elásticamente: Rp0,2 (Mpa) = F (N) S (mm2) Alargamiento Es el valor expresado en % entre la medida inicial de la probeta y la medida final una vez rota. Algunos de los ensayos de dureza Ensayo Brinell (HB) (NF a ) Penetrador: bola de acero duro. 13

14 Ensayo Rockwell (HR) (NF A ) HRB: penetrador bola de acero duro HCR: penetrador cono de diamante (el más utilizado) Glosario Austenita: es una forma de ordenamiento distinta de los átomos de hierro y carbono. Ésta es la forma estable del hierro puro a temperaturas que oscilan entre los 900 a 1400 ºC. Es la denominación de la estructura cristalina tipo cúbica CCC; y una de las dos transformaciones alotrópicas del hierro. Corrosión: Destrucción de metales y ciertos cerámicos por reacción con el medio ambiente gaseoso, y normalmente altas temperaturas. Magnético: Elemento con propiedades magnéticas que permiten las interacciones de la estructura con el campo magnético, produciendo así imanes permanentes y electroimanes. Martensita: Fase formada en el acero a través de una transformación atérmica sin difusión. Mecanizado en frío: Deformación de un metal a una temperatura inferior a la de recristalización, donde se incrementa el número de dislocaciones provocando que el metal se endurezca mientras se conforma. Normalizado: Se emplea para dar al acero una estructura y unas características tecnológicas que se consideran el estado natural del material que fue sometido a trabajos de forja, laminación o tratamientos defectuosos. Se hace como preparación de la pieza para el temple. Recocido: Tiene como finalidad principal ablandar el acero, regenerar la estructura de aceros sobrecalentados o simplemente eliminar las tensiones internas que siguen a un trabajo en frío. Implica un calentamiento hasta una temperatura que permita obtener plenamente la fase estable a alta temperatura seguido de un enfriamiento lo Simbolos: * Resiliencia... : K * Resistencia a tracción: R * Limite elástico a 0,2% : Rp (0,2) * Dureza... : H * Alargamiento : A suficientemente lento como para que se desarrollen todas las reacciones completas. Revenido: Calentamiento después del temple con el objeto de darle tenacidad a la pieza y eliminar tensiones internas causadas x el temple. Temple: Tratamiento térmico que tiene como finalidad obtener una dureza elevada sobre la pieza tratada. Tenacidad: Resistencia a la ruptura al estar sometido a tensión. AISI/SAE: También conocida por SAE-AISI, es una clasificación de aceros y aleaciones de materiales no ferrosos. Es la más común en los Estados Unidos. AISI es Instituto americano del hierro y el acero, mientras que SAE es Sociedad Norteamericana de Ingenieros Automotores. MALEABILIDAD: Propiedad para permitir modificar su forma a temperatura ambiente en laminas, mediante la acción de martillado y estirado. 14

15 DUCTILIDAD: Es la capacidad de poderse alargar en longitudinalmente. FORJA: Es el proceso de darle utilidad a un metal, moldeándolo, perfeccionándolo, mejorando sus propiedades mecánicas y solidez metalúrgica, a través de una deformación plástica controlada por medio de un impacto o presión. 15