Acero. Como material, el acero cae dentro del grupo de los Metálicos

Transcripción

1 Acero Es una solución sólida de hierro y carbono. El acero conserva las características metálicas del hierro en estado puro, pero la adición de carbono y de otros elementos tanto metálicos como no metálicos mejora sus propiedades físicas y mecánicas. Es en la actualidad uno de los materiales mas usados en la construcción. Como material, el acero cae dentro del grupo de los Metálicos

2 Características del Acero El acero tiene características que la diferencian de otros materiales de uso estructural: o Origen Artificial o Isótropo(el proceso de fabricación puede inducir anisotropía) ohomogéneo (baja dispersión de sus propiedades) oalto peso específico (constituye un problema para algunas aplicaciones) oforjable (apto para conformar piezas de diferentes formas) o Corroíble o Alta resistencia mecánica y ductilidad

3 Características del Acero o Soldable o Transmite el calor y la electricidad oalto límite elástico o Sus materias primas son recurso no renovable pero muy abundante en la naturaleza

4 Producción de Acero

5 Consumo de Acero

6 Productos básicos de Acero Tubos Barras Alambres Chapas Perfiles Laminas

7 Usos y Aplicaciones del Acero El acero es uno de los material mas versátiles que ha utilizado el hombre. Su utilización cubre distintos campos : o Estructuras o Máquinas y Herramientas o Accesorios o Artículos o etc.

8 Usos del Acero

9 Usos Estructural del Acero puente en Brisbane Queensland, Australia Puente de Lisboa Puente Forth en Queensferry, Escocia Viaducto de la Polvorilla

10 Usos Estructural del Acero Golden Gate Puente don Luis. Porto Puente Harbour Sidney Puente en Shanghai

11 Usos Estructural del Acero

12 Usos Estructural del Acero Shun Hing Square Shenzhen, China 324 m Jin Mao 492 m Finance Center Hong kong 415 m

13 Usos No estructural del Acero Acero para Herramientas

14 Usos No estructural del Acero Acero Inoxidable

15 Clasificación del Acero

16 Clasificación del Acero Elementos de aleación Carbono: Es el elemento que tiene más influencia en el comportamiento del acero; al aumentar el porcentaje de carbono, mejora la resistencia mecánica, la templabilidad y disminuye la ductilidad. Tungsteno: se añade para impartir gran resistencia a alta temperatura. Forma carburos, que son excepcionalmente duros, dando al acero una gran resistencia al desgaste, para aplicaciones de revestimiento duro o en acero para la fabricación de herramientas Boro: El Boro que se encuentra en el acero proviene exclusivamente de las adiciones voluntarias de este elemento en el curso de su fabricación. Ejerce una gran influencia sobre la templabilidad del acero, bastando porcentajes muy pequeños, a partir de %, para aumentarla notablemente. Azufre: Aumenta la maquinabilidad, ya que forma inclusiones no metálicas llamadas sulfuros de magnesio, discontinuidades en la matriz metálica que favorecen la formación de viruta corta. Cromo: Es un gran formador de carburos, aumenta la dureza y la resistencia al desgaste, y solo reduce la ductilidad. Mejora la resistencia a la alta temperatura. En cantidades mayores al 12%, hace al acero resistente a la corrosión.

17 Clasificación del Acero Elementos de aleación Fósforo: Incrementa la resistencia y reduce la ductilidad. Aumenta la brillantez. Este elemento, en cantidades superiores al 0.004%, disminuye todas las propiedades mecánicas del acero. Molibdeno: Formador de carburos, reduce el crecimiento del grano, mejora la resistencia al desgaste y la capacidad de conservar la dureza a temperaturas altas. Cobalto: Disminuye la templabilidad. Aumenta la dureza, y asociado al níquel o al cromo, forman aceros de bajo coeficiente de dilatación, cercano al vidrio. Aumenta la velocidad crítica de enfriamiento y en los aceros para trabajo en caliente y rápidos incrementa la disipación de temperatura. Manganeso: Mejora la resistencia a la tracción y al desgaste, tiene buena influencia en la forja, la soldadura y la profundidad de temple. Facilita el mecanizado. Vanadio: facilita la formación de grano pequeño y reduce la perdida de resistencia durante el templado, aumentando por lo tanto la capacidad de endurecimiento. Es un formador de carburos que imparten resistencia al desgaste en aceros para herramientas, herramientas de corte, etc.

18 Tipos de Aceros de Baja Aleación 1. Acero de bajo carbono ( C < 0.30%) Relativamente blandos y poco resistentes. 2. Acero de medio carbono ( 0.30 < C < 0.55%) Menos dúctiles y tenaces que los de bajo carbono. 3. Acero de alto carbono ( 0.55 < C < 1.40%) Los más duros y resistentes (al desgaste).

19 Tipos de Aceros según su contenido de Carbono Porcentaje de Carbono Denominación Resistencia a la tracción 0.1 a 0.2 Aceros extrasuaves MPa 0.2 a 0.3 Aceros suaves MPa 0.3 a 0.4 Aceros semisuaves MPa 0.4 a 0.5 Aceros semiduros MPa 0.5 a 0.6 Aceros duros MPa 0.6 a 0.7 Aceros extraduros MPa

20 1. Austeníticos Tipos de Aceros Inoxidables Los más empleados:16-26% de Cr y un mínimo de 7% de Ni. No magnéticos, elevada ductilidad y soldabilidad. Añadiendo Mo se aumenta la resistencia química. 2. Ferríticos 12-17% de Cr. Resistencia a la corrosión aceptable, magnéticos. 3. Martensíticos Con un 11-13% de Cr. Presentan alta dureza y tenacidad. 4. Duplex Aceros austeno-ferríticos: 17-30% de Cr, 6-12% de Ni y 2-5% de Mo. Mejores propiedades mecánicas y anticorrosivas.

21 Tipos de Aceros para Herramientas 1. Aceros no aleados Son aceros de herramientas con contenidos de carbono entre 0,60 y 1,50 por ciento, algunas veces pueden llevar algo de Cr o V para mejorar la templabilidad y la resistencia al desgaste. 2. Aceros aleados para trabajo en frío (<200 ºC) Este es el grupo más importante de los aceros de herramientas, ya que para la mayoría de las aplicaciones para herramientas pueden efectuarlas algunos de los aceros de este grupo. 3. Aceros aleados para trabajos en caliente (> 200 ºC) Se utilizan elementos de aleación como el Cr, Mo y W para dar dureza en caliente y presentan bajo contenido en carbono para proporcionar una buena tenacidad, aunque su resistencia al desgaste no es demasiado buena 4. Aceros rápidos ( < 600 ºC) En la composición de los aceros rápidos contienen en proporción relativamente elevada tres elementos de aleación fundamentales: wolframio, cobalto y molibdeno, y dos elementos accesorios, cromo y vanadio. El % de carbono varía entre 0,6 y 1,2

22 Ejemplo: Aceros para Herramientas para trabajo en frío

23 Fabricación del Aceros Perfil medioambiental del acero

24 Fabricación del Aceros La fabricación del acero involucra las siguientes etapas o procesos: o Acondicionamiento de la materia prima o Obtención del arrabio en altos hornos o Obtención del acero en hornos especiales o Laminación en caliente o Laminación en frío

25 Fabricación del Aceros Obtención del Arrabio Alto Horno

26 Fabricación del Aceros Obtención del Arrabio En el Alto Horno se producen 2 reacciones principales: a)la producción del agente reductor (monóxido de carbono) C + O > CO 2 C + CO > 2CO b) La reducción de los óxidos de hierro para formar hierro líquido en estado puro 3Fe 2 O 3 + CO -----> 2Fe 3 O 4 + CO 2 Fe 3 O 4 + CO -----> 3FeO + CO 2 FeO + CO -----> Fe + CO 2 Alto Horno

27 Fabricación del Aceros Composición del Arrabio El arrabio producido en los altos hornos tiene la siguiente composición: 92% de hierro 3 a 4% de carbono 0,5 a 3% de silicio 0,25% a 2,5% de manganeso 0,04 a 2% de fósforo y azufre

28 Fabricación del Aceros Obtención del Acero El acero se obtiene mediante el refinado del arrabio y la incorporación de elementos de aleación que le confieren propiedades especiales. El refinado se lleva a cabo en dos etapas. La primera en un horno especial y la segunda en un horno cuchara. En el primer refinado se procede a la eliminación de carbono, impurezas y elementos indeseables (silicio, manganeso, fósforo, etc.) y realizar un primer ajuste de la composición química por medio de la adición de ferroaleaciones que contienen los elementos necesarios (cromo, níquel, molibdeno, vanadio o titanio). El acero obtenido se vacía en una cuchara de colada, revestida de material refractario, que hace la función de cuba para el segundo refinado en el que se termina de ajustar la composición del acero y de dársele la temperatura adecuada para la siguiente fase en el proceso de fabricación.

29 Fabricación del Aceros Reacciones de Refinado

30 Fabricación del Aceros Hornos de Refinado Horno Bessemer consiste en descarburar el arrabio en un gran recipiente, en forma de pera, revestido con material refractario. El arrabio líquido es sometido al pasaje de aire comprimido que se insufla desde orificios ubicados en la parte inferior del horno y eliminan el carbono: Fe + C + O 2 ---> Fe + CO 2 El proceso de descarburado se controla mediante análisis espectroscópico de la llama que sale del horno. Horno Bessemer

31 Fabricación del Aceros Hornos de Refinado Horno Siemens-Martin es un horno de fusión de crisol, abierto, sometido al efecto de una llama producida fuera del horno, con recuperación del calor de los humos mediante recuperadores, con el que se consigue obtener temperaturas más elevadas. La incorporación de chatarra aporta oxígeno al proceso. Dependiendo del tipo de revestimiento el proceso puede ser básico o ácido Horno Siemens-Martin

32 Fabricación del Aceros Hornos de Refinado Horno Eléctrico La carga del horno eléctrico está constituida de chatarra principalmente. En el baño se lleva a cabo una reacción de oxidación reducción. Permiten obtener aceros muy puros y uniformes. La fuente de calor es el arco eléctrico. Horno Eléctrico

33 Fabricación del Aceros Laminado El proceso de laminado consiste en calentar los lingotes de acero fundido a una temperatura que permita la deformación del lingote por un proceso de estiramiento y desbaste que se produce en una cadena de cilindros a presión llamado tren de laminación para conformar la geometría del producto deseado. El laminado en frío no requiere precalentamiento Laminado

34 Fabricación del Aceros Extrusión Ésta es otra forma de obtener perfiles. Para ello se hace pasar el material casi fundido a través de un dado o matriz, que es una placa con orificios, y las barras obtenidas tendrán el perfil de ese orificio Extrusión

35 Fabricación del Aceros Trefilado El proceso de trefilado consiste en reducir la sección transversal del elemento forzando su pasaje a través de l orificio de una matriz mediante la aplicación de un esfuerzo mecánico. Se aplica a fabricación de alambres y tubos Trefilado

36 Fabricación del Aceros Estampado El estampado se realiza por presión, donde la chapa se adapta a la forma del molde. La estampación es una de las tareas de mecanizado más fáciles que existen, y permite un gran nivel de automatismo del proceso. Se puede realizar en frío o en caliente, el estampado de piezas en caliente se llama forja. Estampado

37 Micro-constituyentes del Acero Conceptos de fase y solubilidad a) Las tres formas del agua b) Agua y alcohol: solubilidad ilimitada c) Agua y sal: solubilidad limitada d) Aceite y agua: prácticamente insolubles

38 Micro-constituyentes del Acero conceptos de soluciones sólidas a) El Cu y Ni líquidos son totalmente solubles entre sí. b) Las aleaciones sólidas Cu- Ni tienen solubilidad total y los átomos ocupan sitios aleatorios c) En las aleaciones. Cu-Zn con mas de 30% de Zn aparece una segunda fase debido a la solubilidad limitada del Zn en el Cu 1. Átomos o iones de tamaño semejante (radio atómico no mas 15%) 2. Igual estructura cristalina 3. Los iones deben tener igual valencia. 4. Las electronegatividades deben ser similares

39 Micro-estructura del Acero solución solida hierro - carbono Fe C Fe C átomo intersticial de carbono en una red cúbica de cuerpo centrado de hierro átomo intersticial de carbono en una red cúbica de cara centrada de hierro

40 Micro-estructura del Acero variedades alotrópicas del Hierro hierro α es una variedad estable por debajo de los 768 ºC. Es muy magnética y no disuelve el carbono o lo hace en proporciones muy pequeñas. Cristaliza en el sistema cúbico de cuerpo centrado. hierro β es estable entre los 768 ºC y los 910 ºC y cristaliza en el sistema cúbico de cuerpo centrado. No es magnético y tiene la propiedad de disolver el carbono en proporciones limitadas. hierro γ es una variedad no magnética que cristaliza en el sistema cúbico de cara centrada y es estable a temperaturas superiores a 910 ºC. Puede disolver carbono en proporciones de hasta el 2 %. hierro δ es estable por encima de los 1400 ºC cristalizando en el sistema cúbico cuerpo centrado. Es débilmente magnético.

41 Micro-estructura del Acero Acero Eutectoide (0,8% de carbono) Austenita: microestructura formada por granos de hierro g con átomos intersticiales de carbono Perlita: microestructura formada por capas o láminas alternas de hierro a y cementita o Fe 3 C

42 Micro-estructura del Acero Acero Eutectoide (0,8% de carbono)

43 Micro-estructura del Acero Acero hipoeutectoide (< 0,8% de carbono) Ferrita (hierro a): microestructura formada por granos de hierro a con átomos intersticiales de carbono

44 Micro-estructura del Acero Acero hipoeutectoide (< 0,8% de carbono)

45 Micro-estructura del Acero Acero hipereutectoide (> 0,8% de carbono) Cementita: compuesto intermetálico con 6,67 % de carbono. Cristaliza en el sistema ortorómbico con enlace predominantemente no metálico. Esto lo hace duro y frágil.

46 Micro-estructura del Acero Acero hipereutectoide (> 0,8% de carbono)

47 Micro-estructura del Acero Acero hipereutectoide (> 0,8% de carbono)

48 Características de los micro constituyentes 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. Cristaliza formando un paralelepípedo ortorrómbico de gran tamaño. 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.

49 Características de los micro constituyentes 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% FERRITA Aunque la ferrita es en realidad una solución sólida de carbono en hierro alfa, su solubilidad a la temperatura ambiente es tan pequeña que no llega a disolver ni un 0.008% de C. Es por esto que prácticamente 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.

50 Propiedades mecánicas del Acero Uso Estructural o Dureza oresistencia a la tracción o Resistencia al Impacto o Resistencia a la fatiga o Resistencia a las altas temperaturas

51 Propiedades mecánicas del Acero Uso Estructural Resistencia tracción

54 Propiedades mecánicas del Acero Uso Estructural Ductilidad

55 Propiedades mecánicas del Acero Uso Estructural - Dureza La dureza es la resistencia del acero a ser rayado, penetrado o pulido. La dureza suministra de una manera relativamente rápida información muy valiosa de las propiedades mecánicas del material. El valor de dureza puede ser correlacionado con propiedades del material como resistencia, ductilidad, u otras características físicas. Las pruebas de dureza se utilizan para verificar la calidad de los metales en los tratamientos térmicos, en la recepción de los materiales durante su inspección, en la evaluación de soldaduras y en el análisis de fallas.

56 Propiedades mecánicas del Acero Uso Estructural - Dureza

60 Propiedades mecánicas del Acero Uso Estructural - Choque

61 Propiedades mecánicas del Acero Uso Estructural - Choque

62 La fatiga puede definirse como la degradación de las propiedades mecánicas de un material que conducen a su rotura bajo cargas dinámicas cíclicas (esfuerzos que varían en magnitud con el tiempo) cuyos valores son inferiores al de cargas estáticas que producirían la rotura. El fenómeno de fatiga es considerado responsable de aproximadamente el 90% de las fallas por rotura de uniones soldadas y precede muchas veces a la fractura rápida Propiedades mecánicas del Acero Uso Estructural - Fatiga

63 Propiedades mecánicas del Acero Uso Estructural - Fatiga

66 Propiedades mecánicas del Acero Uso Estructural Efecto de la temperatura

69 Propiedades mecánicas del Acero Efecto de la temperatura

70 Tratamientos Térmicos del Acero Consisten en operaciones de calentamiento y enfriamiento a las que se someten los metales para conseguir determinados cambios en su estructura cristalina(por ejemplo, el tamaño del grano) sin que la composición química resulte afectada. Existen 4 tratamientos térmicos fundamentales: a) Templado b) Recocido c) Normalizado d) Revenido

71 TEMPLADO Tratamientos Térmicos del Acero Consiste en el calentamiento de un metal acompañado de un posterior enfriamiento de forma súbita. De este modo, se obtiene un metal muy duro y resistente mecánicamente a causa de su estructura cristalina deformada. El endurecimiento aportado por el temple se puede comparar al que se consigue por medio de la deformación en frío. Este tratamiento consiste en su austenización, es decir, un calentamiento hasta una temperatura superior a la de austenización (727 o C), seguido de un enfriamiento lo suficientemente rápido para obtener una estructura martensítica.

72 REVENIDO Tratamientos Térmicos del Acero Se aplica exclusivamente a los metales templados y es, por lo tanto, un tratamiento complementario deltemple. Con el revenido se pretende mejorar la tenacidad del metal templado a expensas de disminuir un poco su dureza. NORMALIZADO Este tratamiento confiere al acero una estructura y propiedades que arbitrariamente se consideran como normales y características de su composición. Por medio de él se eliminan tensiones internas y se uniformiza el tamaño de grano. Se suelen someter a normalizado piezas que han sufrido trabajos en caliente, en frío, enfriamientos irregulares o sobrecalentamientos y también se utiliza en aquellos casos en los que se desean eliminarlos efectos de un tratamiento anterior defectuoso. En este tratamiento, la velocidad de tratamiento no es lo suficientemente elevada como para formar martensita y la estructura resultante es perlita y ferrita o cementita de grano fino. Es un tratamiento adecuado para los aceros con bajo contenido en carbono pues mejora sus propiedades mecánicas.

73 RECOCIDO Tratamientos Térmicos del Acero Consiste en calentar el acero a una cierta temperatura (similar a la del normalizado) y a continuación someterlo a un enfriamiento muy lento (por lo general se apaga el horno y se deja que el material se enfríe en su interior). El recocido se aplica al acero para ablandarlo y proporcionarle la ductilidad y maleabilidad para conformado plásticamente o darle su forma final por mecanizado. La diferencia entre los tratamientos de temple, normalizado y recocido estriba en la velocidad de enfriamiento que sirve para definir la dureza y la resistencia finales de la pieza.