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Resumen Propiedades Estructurales I – Catalina Miranda

PARTE 3G: Propiedades mecánicas de los constituyentes del acero 25. Propiedades mecánicas de los constituyentes del acero: 25.1. Perlita 25.1.1. Laminar: la cementita es mucho más dura y frágil que la ferrita, por lo que aumentar la fracción de cementita en un acero, mientras se mantienen las demás variables constantes, resulta en una microestructura más dura y resistente. Esto se ve en la figura 673a, donde la tensión de fluencia, de rotura y la dureza de Brinell se grafican como función del porcentaje en peso de carbono para

Figura 673. (a) Dureza Brinell como función de la concentración de carbono para aceros al carbono con perlita fina, gruesa y esferoidal y (b) ductilidad en función del porcentaje de la concentración de carbono para aceros al carbono con perlita fina, gruesa y esferoidal

Figura 674. (a) Tensión de fluencia, tensión de rotura y dureza de Brinell en relación al contenido de carbono en un acero al carbono en estado perlítico fino, (b) ductilidad y ensayo Izod de impacto para el mismo acero.

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aceros que contienen perlita fina, gruesa y esferoidal, y se observa que los tres parámetros aumentan cuando aumenta la concentración de carbono. Sin embargo, al aumentar la concentración de carbono también disminuyen la ductilidad y la tenacidad, como se ve en la figura 673b. La perlita fina es más resistente que la gruesa porque hay un alto grado de adherencia entre las dos fases que las componen a lo largo de los bordes de grano y la rígida cementita restringe la deformación de la ferrita, que es más blanda, en las regiones adyacentes al borde de grano. De esta forma, se dice que la cementita refuerza a la ferrita. El grado de este refuerzo es sustancialmente mayor en la perlita fina debido a la mayor cantidad de bordes de grano por unidad de volumen. Las interfases sirven como barreras al movimiento de las dislocaciones al igual que los bordes de grano. La perlita gruesa es más dúctil que la fina, lo cual se debe a que en la perlita fina la restricción a la deformación es mayor. 25.1.2. Globular: la microestructura laminar es más resistente que la globulizada. Esto también se ve en la figura 673a, que compara la dureza como una función del porcentaje de carbono para diferentes tipos de perlita, y se explica en relación al refuerzo que producen las interfases y al impedimento de la deformación. En una microestructura globulizada hay menor cantidad de bordes de grano por unidad de volumen y la deformación plástica no está muy limitada, lo cual da origen a una estructura relativamente blanda y débil. De todos los aceros, los que tienen microestructuras esferoidales son los más blandos y débiles, pero son los más dúctiles, más que la perlita fina o gruesa. También son extremadamente tenaces, porque cualquier fisura que aparezca en las partículas frágiles de cementita, propaga a través de una matriz dúctil. 25.2. Bainita: dado que tiene estructura más fina que la perlita, suele tener mayor resistencia y dureza, pero con una buena ductilidad. En la figura 675 se ve la relación entre la dureza de Brinell y la temperatura de transformacion, siendo esta mayor en las microestructuras bainíticas, y descendiendo a medida que aumenta la temperatura y predominan las microestructuras perlíticas. Como ya se dijo,

a

medida

que

se

refina

la

perlita,

su

dureza/resistencia aumenta porque las distancias libres para el viaje de dislocaciones son cada vez más pequeñas ¿Por qué la bainita, que también tiene Figura 675. Dureza Brinell como función de la

ferrita (muy dúctil) es más resistente que la perlita? temperatura de transformacion isotérmica para una La presencia de los bordes ferrita-ferrita y la dispersión muy fina de pequeños precipitados de cementita producen

lo

que

se

denomina

endurecimiento

aleacion de composición eutectoide, tomadas en un rango de temperaturas a las cuales se forman perlita y bainita.

por

precipitación. Entonces, la presencia de precipitados dispersos bloquea el avance de las dislocaciones, apareciendo una mayor resistencia, pero ¿qué pasa con la tenacidad? Si se mira una curva , el área bajo la curva es la tenacidad, de modo que la relación entre la tenacidad y la tensión de fluencia es importante. Las curvas rosa y azul de la figura 676 tienen la misma tenacidad, pero para que un material representado por la curva rosa resista una carga de manera

Figura 676

elástica, se le tiene que dar una sección más grande que al material representado por la curva azul, que tiene una tensión de fluencia mucho mayor. Entonces, lo

que interesa es la combinación de alta tenacidad con alta tensión de fluencia, lo cual da como resultado un buen material estructural. El material representado por la curva verde tiene una tensión de

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fluencia mucho más alta pero no consume energía para romperse, por lo tanto, no puede ser un material estructural porque con poca energía/trabajo se rompe. ¿Por qué la bainita superior tiene alta

tenacidad? En el caso de las estructuras laminares, las grandes placas de cementita son sitios de nucleación de fisuras porque la cementita es frágil, entonces, cuando está sobrecargada si genera se una fisura, al no haber posibilidad de deformación plástica, la misma propaga a lo largo de la matriz. A medida que la morfología de la cementita deja de ser laminar, las partículas son mucho más pequeñas que las láminas y ya no tienen ese efecto, lo que permite dar uso a la ductilidad de la ferrita, con la presencia de cementita dispersa que hace que aumente la tensión de fluencia, obteniéndose un material de buena tenacidad. Este esquema de una fase dúctil con dispersión de precipitados duros es una excelente forma de aumentar la resistencia. Esta microestructura se obtiene fuera del equilibrio. 25.3. Martensita: de todas las microestructuras que puede producir un acero, la martensita es la más dura y resistente, pero también la más frágil con una ductilidad casi inexistente. Su dureza depende de la cantidad de carbono, como se ve en la figura 677, que muestra la dureza en función del porcentaje de carbono. A diferencia del caso de la perlita, la dureza y la resistencia de la martensita no se relacionan con la microestructura, sino que se atribuyen a la efectividad de los átomos de carbono en estorbar el movimiento de las dislocaciones y a los pocos sistemas de deslizamiento en la estructura tetragonal. La austenita es más densa que la martensita, y durante la transformacion de fase hay un aumento en el volumen. Consecuentemente, las piezas relativamente grandes que se templan muy rápidamente se pueden fisurar como resultado de esfuerzos internos, y esto se transforma en un problema, especialmente cuando el contenido de carbono es mayor a Como ya se mencionó, la dureza de la martensita depende del contenido de carbono. La baja resistencia a la tracción de la martensita se debe a la presencia de tensiones residuales que ocurren durante el temple, que resultan de las deformaciones localizadas. Cuando una muestra con tensiones residuales se somete a un ensayo de tracción, ocurre la fractura a un nivel de tensión menor al que causa la fractura en una muestra sin tensiones residuales. La naturaleza frágil de la martensita, es indirectamente responsable de su baja tenacidad.

Figura 677. Dureza a temperatura ambiente como función de la concentración de carbono para un acero martensítico revenido, sin revenir y perlítico.

Figura 678. Variación de la dureza con la temperatura de revenido.

25.4. Martensita revenida: una selección adecuada de la temperatura de revenido puede proveer un amplio rango de resistencias, durezas y ductilidades debido a que las mayores temperaturas de revenido permiten mayor difusión, con un mayor espaciamiento y mayor tamaño de las partículas de cementita. La figura 678 muestra la variación de la dureza con la temperatura de revenido, para distintos contenidos de carbono. Si el revenido ocurre justo por debajo de la temperatura eutectoide la cementita se forma como esferas grandes y muy espaciadas dando una estructura con baja resistencia y alta ductilidad, mayor que la de la perlita. En la figura 677 se puede ver la evolución de las propiedades

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mecánicas con la temperatura de revenido. La dureza y la resistencia se pueden explicar en términos de la gran cantidad de interfases que existen entre las numerosas y finas partículas de cementita, y la matriz (ferrita), que es muy dúctil y relativamente tenaz, y los carburos actúan como barrera al desplazamiento de las dislocaciones durante la deformación plástica, aumentando la resistencia. Esto hace que el tamaño de las partículas de cementita sean muy importantes en las propiedades mecánicas: si aumenta su tamaño disminuye la cantidad de interfases y se obtiene un material más blando y débil pero más dúctil y tenaz. La figura 679 resume los caminos de transformación que pueden producir diversas microestructuras en el acero. Se asume que la perlita, la bainita y la martensita resultan de un enfriamiento continuo, y que además, la formación de bainita solamente es posible para aceros aleados. Las líneas solidas indican que la transformacion involucra difusión mientras que

las líneas punteadas

indican que la transformacion es adifusional. Las características microestructurales y las propiedades

Figura 679. Posibles transformaciones que involucran la

mecánicas de los distintos microconstituyentes se descomposición de la austenita. resumen en la tabla 47. TABLA 47. Resumen de las propiedades mecánicas de los constituyentes del acero. Micr Microcon ocon oconstituy stituy stituyent ent ente e

Fases prese present nt ntes es

Perlita glob globuliz uliz ulizada ada Perlita grue gruesa sa Perlita fina

Propi Propiedad edad edades es m mecá ecá ecánicas nicas

Capas alternadas de y relativamente gruesas Capas alternadas de y relativamente finas

Más dura y resistente que la globulizada pero no tan dúctil. Más dura y resistente que la perlita gruesa pero menos dúctil Más dura y resistente que la perlita fina, pero menos dura que la martensita. Mas dúctil que la martensita Resistente, no tan dura como la martensita, pero mucho más dúctil Muy dura y frágil

Partículas finas y elongadas en una matriz de .

Bainit Bainitaa Mart Martensita ensita rev reveni eni enida da Mart Martensita ensita

Arreg Arreglo lo d de e fases Esferas de en una matriz de

tetragonal

Partículas muy pequeñas de en una matriz de Granos con forma de aguja

Blanda y dúctil

26. Nomenclatura del acero: actualmente se usa el sistema AISI-SAE, donde los aceros se clasifican con cuatro dígitos. El primero especifica el elemento de aleación principal, el segundo indica el porcentaje aproximado del elemento principal y con los dos últimos dígitos se conoce la cantidad de carbono presente en la aleación multiplicada por 100. Para los aceros al carbono, los primeros dos dígitos son 1 y 0. En la tabla 48, se ven algunas combinaciones de otros dos primeros dígitos, que corresponden a aceros aleados. TABLA 48. Nomenclatura de los aceros según la norma AISI-SAE Design Designació ació ación n

Tipo d de e ac acero ero

10XX

Carbono

11XX

Carbono resulfurado

15XX

Aceros al manganeso

25XX

Aceros al níquel

31XX

Aceros al níquel-cromo

40XX

Aceros al molibdeno

41XX

Aceros al cromo y molibdeno.

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27. Efecto de aleantes en la fabricación de aceros: los aceros aleados tienen más del

de elementos de

aleacion y tienen microestructuras marcadamente diferentes a las de los aceros al carbono, mientras que los aceros de baja aleacion se agregan en total en cantidades de no más de A pesar de que los aceros al carbono se pueden producir en un rango muy amplio de resistencias y a un costo relativamente bajo, sus propiedades no siempre son adecuadas para todos los usos ingenieriles. En general, los aceros al carbono tienen las siguientes limitaciones: 

No pueden endurecerse a más de 690 MPa sin tener una pérdida significativa en la ductilidad y en la tenacidad

 

No se pueden hacer secciones grandes con estructura martensítica en su totalidad. Se necesitan velocidades de enfriamiento muy rápidas para obtener aceros con estructura martensítica, que llevan a distorsión de forma y a fisuraciones



Tienen una pobre resistencia al impacto a bajas temperaturas



Tienen poca resistencia a la corrosión



Se oxidan rápidamente a altas temperaturas.

Por todas estas razones es que se desarrollaron los aceros aleados, que a pesar de tener mayor costo, son más económicos para muchos usos, y en algunas aplicaciones son la única opción que cumplen con todos los requerimientos ingenieriles. Los principales elementos que se utilizan son el níquel, el cromo, el molibdeno, el manganeso, el silicio y el vanadio. En casos más particulares se utiliza cobalto, cobre y plomo. Algunas funciones de los aleantes son: 

Mejorar las propiedades mecánicas, aumentando la profundidad hasta la cual el acero puede tener estructura martensita (que es lo mismo que retrasar el tiempo requerido para la descomposición de austenita en ferrita y perlita), permitiendo usar un acero de menor carbono para obtener la misma templabilidad



Aumentar la dureza de los productos



Permitir mayores temperaturas de revenido manteniendo alta resistencia y tenacidad.



Mejorar las propiedades mecánicas a altas y bajas temperaturas.



Mejorar las propiedades a la corrosión.



Mejorar las propiedades especiales como la resistencia a la abrasión y el comportamiento a la fatiga.

La distribución de los elementos de aleacion en el acero depende

de

su

composición.

Pueden

ocurrir

muchas

interacciones complejas y a medida que aumenta la cantidad de elementos de aleacion, aumentan las interacciones. Sin embargo, hay algunas tendencias básicas para la distribución de los elementos de aleacion. Por ejemplo, el níquel, el silicio y el aluminio se disuelven en la ferrita y el manganeso, el cromo y el molibdeno forman carburos. En la figura 680 se observa la concentración de algunos elementos de aleacion en la ferrita y en la cementita. Los elementos de aleación modifican las

Figura 680. Diagrama esquemático mostrando las variaciones de los elementos de aleacion en la perlita.

temperaturas críticas y la cinética de transformación, tanto de la precipitación proeutectoide como de la transformación perlítica y bainítica. Esto permite enfriamientos más lentos para producir estructuras completamente martensíticas. Hay dos formas en las que los elementos pueden reducir la velocidad de descomposición de la austenita: reduciendo la velocidad de nucleación de la ferrita, perlita o bainita o reduciendo la velocidad de crecimiento luego de la nucleación. El principal

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factor que limita la templabilidad es la velocidad de formación de la perlita en la nariz del diagrama TTT. Para analizar los efectos de los elementos de aleacion se debe distinguir entre los estabilizadores de ferrita, como cromo, molibdeno y silicio, y los estabilizadores de austenita, como manganeso, níquel y cobre. Según el equilibrio, un elemento de aleación va a tener distintas concentraciones en la cementita y en la ferrita, es decir, se va a particionar entre las dos fases. El cromo, el molibdeno y el manganeso son formadores de carburo que se concentran en la cementita y reducen la velocidad de crecimiento de la perlita, y de la ferrita proeutectoide, debido al movimiento de la interfase austenita-ferrita, dado que el camino más probable de difusión es a través de las interfases austenita-ferrita y austenita-cementita. Cuando la perlita crece cerca de

la fuerza impulsora para el crecimiento solo será positiva si ocurre la partición.

Como el elemento de aleación va a estar homogéneamente distribuido en la austenita, la perlita solo podrá crecer por difusión sustitucional y, como este mecanismo de difusión es más lento que el intersticial, la velocidad de crecimiento de la perlita se verá reducida. El principal factor que limita la dureza es la formación de perlita. Todos los elementos de aleación son sustitucionales. 27.1.Estabilizadores de

austenita: deprimen

la temperatura

. Es

posible, a subenfriamientos

suficientemente altos, que la perlita crezca sin particionarse. La ferrita y cementita heredan el porcentaje del elemento de aleación correspondiente de la austenita y no hay necesidad de difusión sustitucional. Sin embargo, la velocidad de crecimiento va a ser menor que en las aleaciones binarias Hierro-Carbono ya que la concentración del elemento de aleación en la ferrita y en la cementita aumenta las energías libres, reduciendo la temperatura eutectoide. Cero particionamiento es posible a temperaturas por debajo del eutectoide metaestable. 27.2.Estabilizadores de ferrita: aumentan la temperatura . Hay particionamiento del elemento de aleación aún a altos subenfriamientos cercanos a la nariz del diagrama TTT. Por ejemplo, el silicio aumenta la dureza por la difusión a lo largo de la interfase perlita/austenita dentro de la ferrita Si se observa el diagrama isotérmico de un acero 4140 con la presencia de elementos de aleacion formadores de carburos como cromo y molibdeno, se descubre que los elementos de aleación desdoblan la nariz bainítica, separándola de la perlítica. Esto significa que hay una cinética perlítica y una bainítica que están separadas porque el elemento de aleación molesta mucho a la transformación perlítica, es decir, la retrasa, pero no retrasa a la bainítica. ¿Por qué ocurre esto? Por la dificultad que tiene el sistema para repartir molibdeno, ya que la bainítica es una transformación desplazativa y la perlítica es reconstructiva. Por lo tanto, en una tiene que difundir el molibdeno y en la otra no. En el caso del acero 4240 la nariz aparece a los 2 segundos, por lo tanto, es muy difícil evitarla.

Figura 681. Diagramas isotérmicos para cuatro aleaciones comerciales que contienen: (a) 0.4% de carbono y 1% de manganeso, (b) lo mismo con 0.9% de cromo, (c) lo mismo que (a) con 1.0% de cromo y 0.2% de molibdeno y (d) lo mismo que (a) con 0.8% de cromo, 0.3% de molibdeno y 1.8% de níquel.

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Conclusiones generales 

La perlita es más blanda que la bainita y que la martensita.



La perlita fina es más resistente que la gruesa porque las dislocaciones tienen mayor dificultad en atravesar las finas laminas.



Para aceros eutectoides, la tensión de fluencia varia inversamente con el espaciado interlaminar.



Cuando es un fuerte formador de carburo, este puede reducir la velocidad de crecimiento de la perlita, asi como de la ferrita proeutectoide, por un efecto de arrastre de soluto en la interfase austenita/ferrita móvil. La...