Unidad 5.0 - Aceros - Clasificación y aplicaciones PDF

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE ROSARIO INSTITUTO POLITECNICO SUPERIOR

“GRAL SAN MARTIN”

Asignatura: PROCESOS INDUSTRIALES Código: 1.6.1 – Profesor: Sandro Llanos

UNIDAD 5 – ACEROS CLASIFICACION Por su composición química y aplicaciones podemos clasificarlo en 4 grupos. 1. Aceros al carbono: Solo contienen Fe y C 2. Aceros aleados : Además de Fe y C contiene otros elementos 3. Aceros Inoxidables : Con agregado de cromo y níquel 4. Especiales: Vanadio molibdeno, etc.

Cada grupo de aceros tiene una banda de aplicaciones en general bastante definida Nota: Todos los aceros sin excepción contienen: Mn, Si, P y S (en muy reducidas proporciones) Cuando hablamos “solo Fe y C” nos referimos a que no hay otro elemento adicional a los 4 anteriores y se les resta importancia porque no ejercen la influencia que tiene el carbono. El % de carbono varia del 0,1 al 0,7% en la mayoría de las aplicaciones industriales, algunos aceros tienen 1,1% pero no llegan a alcanzar el 1,7% establecido en la definición de aceros. La variación de Mn o de Si otorgan al acero propiedades aptas para algunas prestaciones, no ocurre lo mismo con el P y el S ambos son considerados como impurezas y su valor máximo no debe superar los 0,04%.

COMPOSICION DEL ACERO Acero es una aleación de hierro y carbono que contiene otros elementos de aleación, los cuales le confieren propiedades mecánicas especificas para su utilización en la industria metalmecánica. Aunque el Carbono es el elemento básico a añadir al Hierro, los otros elementos, según su porcentaje, ofrecen características específicas para determinadas aplicaciones, como herramientas, cuchillas, soportes, etc.

ELEMENTOS DE ALEACION EN LOS ACEROS - COMPONENTES 

Aluminio - Al: EL Aluminio es usado principalmente como desoxidante en la elaboración de acero. El Aluminio también reduce el crecimiento del grano al formar óxidos y nitruros.

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Azufre - S: El Azufre se considera como un elemento perjudicial en las aleaciones de acero, una impureza. Sin embargo, en ocasiones se agrega hasta 0.25% de azufre para mejorar la maquinabilidad. Los aceros altos en azufre son difíciles de soldar pueden causar porosidad en las soldaduras.

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Carbono - C: El Carbón - Carbono es el elemento de aleación mas efectivo, eficiente y de bajo costo. En aceros enfriados lentamente, el carbón forma carburo de hierro y cementita, la cual con la ferrita forma a su vez la perlita. Cuando el acero se enfría más rápidamente, el acero al carbón muestra endurecimiento superficial. El carbón es el elemento responsable de dar la dureza y alta resistencia del acero.

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Boro - B: El Boro logra aumentar la capacidad de endurecimiento cuando el acero esta totalmente desoxidado. Una pequeña cantidad de Boro, (0.001%) tiene un efecto marcado en el endurecimiento del acero, ya que también

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se combina con el carbono para formar los carburos que dan al acero características de revestimiento duro. 

Cobalto - Co: El Cobalto es un elemento poco habitual en los aceros, ya que disminuye la capacidad de endurecimiento. Sin embargo, se puede usar en aplicaciones donde se requiere un revestimiento duro para servicio a alta temperatura, ya que produce una gran cantidad de solución sólida endurecedora, cuando es disuelto en ferrita o austenita.

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Cobre - Cu: El Cobre aumenta la resistencia a la corrosión de aceros al carbono.

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Cromo - CR: El Cromo es un formador de ferrita, aumentando la profundidad del endurecimiento. Así mismo, aumenta la resistencia a altas temperaturas y evita la corrosión. El Cromo es un elemento principal de aleación en aceros inoxidables, y debido a su capacidad de formar carburos se utiliza en revestimientos o recubrimientos duros de gran resistencia al desgaste, como émbolos, ejes, etc.

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Fósforo - P: Fósforo se considera un elemento perjudicial en los aceros, casi una impureza, al igual que el Azufre, ya que reduce la ductilidad y la resistencia al impacto. Sin embargo, en algunos tipos de aceros se agrega deliberadamente para aumentar su resistencia a la tensión y mejorar la maquinabilidad.

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Manganeso - Mn: El Manganeso es uno de los elementos fundamentales e indispensables, esta presente en casi todas las aleaciones de acero. El Manganeso es un formador de austenita, y al combinarse con el azufre previene la formación de sulfuro de hierro en los bordes del grano, altamente perjudicial durante el proceso de laminación. El Manganeso se usa para desoxidar y aumentar su capacidad de endurecimiento.

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Molibdeno - Mo: El Molibdeno también es un elemento habitual, ya que aumenta mucho la profundidad de endurecimiento del acero, así como su resistencia al impacto. El Molibdeno es el elemento mas efectivo para mejorar la resistencia del acero a las bajas temperaturas, reduciendo, además, la perdida de resistencia por templado. Los aceros inoxidables austeníticos contienen Molibdeno para mejorar la resistencia a la corrosión.

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Nitrógeno - N: El Nitrógeno puede agregarse a algunos tipos de acero, para promover la formación de austenita. También, para reducir la cantidad de Níquel en los aceros inoxidables. El Nitrógeno afecta las propiedades mecánicas del acero.

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Níquel - Ni: Es el principal formador de austenita, que aumenta la tenacidad y resistencia al impacto. El Níquel se utiliza mucho en los aceros inoxidables, para aumentar la resistencia a la corrosión. El Níquel ofrece propiedades únicas para soldar Fundición.

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Plomo - Pb: El Plomo es un ejemplo de elemento casi insoluble en Hierro. Se añade plomo a muchos tipos de acero para mejorar en gran manera su maquinabilidad.

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Titanio - Ti: Básicamente, el Titanio se utiliza para estabilizar y desoxidar acero, aunque debido a sus propiedades, pocas veces se usa en soldaduras.

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Tungsteno - W: El Tungsteno se añade para impartir gran resistencia a alta temperatura. El Tungsteno también 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.

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Vanadio - V: El Vanadio facilita la formación de grano pequeño y reduce la perdida de resistencia durante el templado, aumentando por lo tanto la capacidad de endurecimiento. Así mismo, es un formador de carburos que

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imparten resistencia al desgaste en aceros para herramientas, herramientas de corte, etc.

APLICACIONES DEL ACERO ACEROS AL CARBONO Se emplean en todo tipo de construcciones metálicas y en algunas piezas de maquinaria, son las de mayor uso en la industria y el costo x Kg. es inferior a los demás grupos. Formas comerciales de suministro  Perfiles L (ele), T (te), I (doble te), U (u)  Chapas  Laminadas en caliente  Laminadas en Caliente y decapadas  Laminadas en frío 

Barras    

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Redondos Cuadrados Hexágonos Planchuelas

Flejes Tubos sin costura Tubos con costura

ACEROS ALEADOS Los metales adicionales que se incorporan le proporcionan mayor capacidad de resistencia, se emplean en la construcción de piezas para máquinas. Su costo es 20 a 40% mayor que a los aceros al carbono. ACEROS INOXIDABLES Se emplean en la fabricación de partes para uso doméstico, sanitario, hospitalario e industrial Uso doméstico: Vajillas y utensilios Uso sanitario e Industrial: recipiente, cañerías y partes que tomen contacto con alimentos y productos químicos Uso hospitalario: Elementos quirúrgicos, prótesis, clavos, arneses, etc. Su costo es aproximadamente 3 a 5 veces el valor respecto a los caseros al carbono.

ACEROS ESPECIALES Se emplean con exclusividad para fabricar herramientas o piezas de maquinarias sometidas a solicitaciones muy exigidas, su costo es de 4 a 10 veces respecto a los aceros al carbono.

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Designación de los aceros – Codificación El instituto argentino de normalización IRAM adoptó la norma norteamericana AISI para el reconocimiento de cada tipo de acero. Esta norma AISI coincide con otra norma norteamericana SAE en la designación de aceros, la norma SAE es de mayor divulgación. El uso corriente en nuestro país para reconocer los aceros es el siguiente: 1. Aceros al carbono, aleados y especiales – SAE 2. Aceros inoxidable –AISI En el caso de los aceros especiales, también es de uso corriente reconocerlos, por el código de cada fabricante. Aceros inoxidables Se los designa con la palabra AISI seguida de 3 o 4 dígitos, siempre los 3 primeros son números el cuarto dígito es ocasional y lo representa una letra (A,B,C,F,L,S) Los 3 números responden a la serie 200, 300 o 400 Ejemplos: AISI 201, AISI 304, AISI 316L, AISI 430.

CLASIFICACIÓN SAE DE ACEROS (más utilizados) La inmensa variedad de aceros que pueden obtenerse por los distintos porcentajes de carbono y sus aleaciones con elementos como el cromo, níquel, molibdeno, vanadio, etc., ha provocado la necesidad de clasificar mediante nomenclaturas especiales, que difieren según la norma o casa que los produce para facilitar su conocimiento y designación.La SAE emplea, a tal fin, números compuestos de cuatro o cinco cifras, según los casos, cuyo ordenamiento caracteriza o individualiza un determinado acero.El significado de dicho ordenamiento es el siguiente: Primera cifra 1 caracteriza a los aceros al carbono Primera cifra 2 caracteriza a los aceros al níquel Primera cifra 3 caracteriza a los aceros al cromo-níquel Primera cifra 4 caracteriza a los aceros al molibdeno Primera cifra 5 caracteriza a los aceros al cromo Primera cifra 6 caracteriza a los aceros al cromo-vanadio Primera cifra 7 caracteriza a los aceros al tungsteno Primera cifra 8 caracteriza a los aceros al cromo níquel molibdeno Primera cifra 9 caracteriza a los aceros al silicio-manganeso Para aceros al manganeso la característica resulta: 13xx En los aceros simples (un solo elemento predominante), las dos últimas cifras establecen el porcentaje medio aproximado de C en centésimo del 1%, cuando el tenor del mismo no alcanza al 1%.- Por último, la cifra intermedia indica el porcentaje o, en forma convencional, el contenido preponderante de la aleación, tal el caso de los aceros al Cr-Ni, en los que la segunda cifra corresponde al % de Ni .Mediante el número SAE, los aceros al carbono, de hasta 1% de C, pueden ser fácilmente identificados; así un SAE 1025 indica:

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Primera cifra 1 acero al carbono Segunda cifra 0 ningún otro elemento de aleación predominante Ultimas cifras 25 0,25% de carbono medio aproximado de carbono La composición química porcentual de los aceros que corresponden a esta designación es: C = 0,22-0,28 %; Mn = 0,30-0,60 %; S = 0,05 % máx.; P = 0,04 % máx. Donde puede observarse que el manganeso (Mn), azufre (S) y el fósforo (P) no son considerados como factores capaces de dotar a la aleación de propiedades especiales, por no alcanzar el porcentaje mínimo de 1,5 %, 0,08 % y 0,1 %, respectivamente, requerido para ello.Para ampliar la gama de aceros posibles de clasificar, la SAE los determina, en algunos casos, con cinco cifras, de manera que la segunda y la tercera indiquen el porciento del elemento preponderante; así por ejemplo: el acero SAE 71660 resulta al tungsteno con 16 % de W (15 al 18 %) y 0,60 % de C (0,50 al 0,70 %).Aclaramos que, si bien la primera cifra (elemento que le da su nombre a la aleación de acero) y las dos últimas (tenor de carbono) cumplen casi rigurosamente con lo indicado precedentemente, no ocurre lo mismo con la intermedia (segunda y tercera si son cinco), debido a que por necesidad o conveniencia se las elige, algunas veces, en forma arbitraria y de manera que el número completo defina perfectamente a un tipo de acero.-

CLASIFICACIÓN SAE DE ACEROS Al Carbono

Comunes o no aleados 10xx Corte rápido 11xx Manganeso 1,75 % Mn 13xx Níquel: 3,5 % Ni 23xx 5 % Ni 25xx Cromo-Níquel 1,25 % Ni; 0,65-0,80 % Cr 31xx 3,5 % Ni; 1,55 % Cr 33xx Resistentes al calor y a la 303xx corrosión Molibdeno 0,25 % Mo 40xx Cromo-Molibdeno 0,5-0,95 % Cr; 0,20-0,25 % 41xx Mo Níquel-Molibdeno 1,55-1,8 % Ni; 0,2-0,25 % Mo 46xx 3,5 % Ni; 0,25 % Mo 48xx Níquel-Cromo-Molibdeno 1,8 % Ni; 0,5-0,8 % Cr; 0,25 43xx %Mo 0,55 % Ni; 0,5 % Cr; 0,2 86xx %Mo 0,55 % Ni; 0,5 % Cr; 0,25 87xx %Mo 3,25 % Ni; 1,2 % Cr; 0,12 93xx %Mo

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Cromo

Cromo-Vanadio Silicio-Manganeso Aceros fundidos

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0,45 % Ni; 0,4 % Cr; 0,12 94xx %Mo 0,55 % Ni; 0,17 % Cr; 0,2 97xx %Mo 1 % Ni; 0,8 % Cr; 0,25 %Mo 98xx Bajo Cr: 0,27 y 0,65 % Cr 50xx Bajo Cr: 0,8; 0,95 ó 1,05 % Cr 51xx Bajo Cr: 0,5 % Cr 501xx Mediano Cr: 1 % Cr 511xx Alto Cr: 1,45 % Cr 521xx Resistente al calor y a la 514xx corrosión 515xx 0,95 % Cr; 0,15 % mín. V 61xx 1,4 y 2 % Si; 0,65 y 0,85 % 92xx Mn Resistentes a la corrosión 60xxx Resistentes al calor 70xxx Al carbono con bajo % de 0x0 aleación 00xx Alta resistencia mecánica 01xx

ACEROS ESPECIALES Los aceros especiales para herramientas tienen otro modelo de identificación, después de la palabra SAE sigue una letra, seguida de 1 o 2 números. Ejemplos

Aceros especiales       

SAETX aceros rápidos al tungsteno SAEMX aceros rápidos al molibdeno SAEWX aceros templables al agua SAESX aceros resistentes al choque SAEOX aceros indeformables SAEDX aceros indeformables de alto cromo y carbono SAEHX aceros resistentes al calor

Principales aceros al carbono (características) SAE 1010: Uso general, R=37 kg. /mm2 (no garantizada) Suministro comercial: chapas y barras Aplicaciones: alambres, clavos, remaches, gabinetes metálicos

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SAE 1020: Uso general, de mejor calidad que el anterior, R=40 kg. /mm2, aplicable a piezas que requieren seguridad garantizada de la resistencia. Apta para cementar y apto para soldar Suministro comercial: chapas, barras, perfiles, tubos. Aplicaciones: piezas varias, construcciones soldadas y estructuras metálicas SAE 1030: Uso especifico para componentes de mecanismos varios. Apto para temple (así se lo usa en la mayoría de sus aplicaciones) Suministro comercial: barras. Aplicaciones: tornillo, tuercas, pernos, chavetas, ejes SAE 1045 Uso general, para la construcción de piezas sometidas a importantes esfuerzos, R=60 kg. /mm2 Apto para temple (se lo usa con o sin temple) Suministro comercial: chapas y barras Aplicaciones: ejes, engranajes, rieles de ferrocarril. SAE 1070 Uso especifico para fabricar resortes, ballestas, cuchillas, de gran templabilidad. SAE 1112 a 1117: Uso exclusivo en tornos automáticos, se los conoce como aceros desulfurados y refosforados, fáciles de mecanizar (los mejores) Aptos para cementar y carbonitrurar. Suministro comercial: barras trefiladas Aplicaciones: piezas pequeñas que no requieren condiciones de seguridad Principales metales aleados (características) Los metales que se adicionan en la aleación (Cr, Ni, Mo, V, etc), le proporcionan mayor resistencia que los aceros al carbono y además mejoran las condiciones de temple. Todos se suministran en formas de barras, para otras formas de suministro comercial tales como chapas es por pedido especial a la acería. Se usan en piezas de componentes de maquinas que requieren mayor resistencia que las piezas de acero al carbono, en casi todas las aplicaciones se las usa con tratamientos térmicos de temple o cementado. Los valores de resistencia que se indican son sin tratamiento térmico SAE 3115 Acero de cementación – R= 55kg/mm2, Aplicaciones: Coronas dentadas, engranajes, piñones, ejes en general, piezas que requieren alta resistencia al desgaste superficial. SAE 3140 Acero de temple – R=80 kg/mm2, Aplicaciones espárragos, tornillo, cigüeñales, ejes de eslabón de cadenas SAE 4140 Acero de temple R= 75kg/mm2, Aplicaciones palieres, cigüeñales, ejes. SAE 8620 Acero de cementación – R=50 kg/mm2, Aplicaciones: Ejes estriados, engranajes, pernos de pistón. SAE 8640 Acero de temple – R= 85kg/mm2, Aplicaciones: Ejes, crucetas, etc. EL ENSAYO DE TRACCIÓN.

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En la mayoría de las ocasiones, los materiales metálicos se emplean con fines estructurales. Es decir, los componentes fabricados con metales deben responder de forma adecuada a determinadas situaciones mecánicas. La expresión de responder de forma adecuada puede entenderse en muy diferentes sentidos. Así, en muchos casos, significa no fallar en servicio, pero en otros como, por e jemplo, un fusible mecánico, puede significar lo contrario. En ciertos procesos de fabricación, se confiere su forma a los productos metálicos por deformación plástica. Para determinar cuáles son las condiciones óptimas de trabajo en estos casos, es necesario conocer cuál es la relación entre los esfuerzos que se aplican y las deformaciones que se producen y cual es la máxima deformación que admite el material sin llegar a romper.  El ensayo de tracción. Este ensayo permite obtener información sobre la capacidad de un material para soportar la acción de cargas estáticas o de cargas que varían lentamente. Como los componentes metálicos se proyectan en la mayoría de las ocasiones para trabajar en estas condiciones, probablemente este es el más popular entre los ensayos que permiten caracterizar el comportamiento mecánico de un material metálico. El ensayo se realiza alargando una probeta de geometría normalizada, con una longitud inicial Lo, que se ha amarrado entre las mordazas de una máquina, según el esquema que se muestra a continuación. Una de las mordazas de la máquina esta unida al cabezal móvil y se desplaza respecto a la otra con velocidad constante durante la realización del ensayo. Las máquinas de ens ayo disponen de sistemas de medida, células de carga y extensómetros, que permiten registrar la fuerza aplicada y la deformación producida mientras las mordazas se están separando.

Propiedades más importantes que se pueden medir en la curva tensión deformación:

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Modulo elástico : El tramo inicial de la curva, que generalmente es recto, da información del comportamiento elástico del material, es decir sobre la relación entre esfuerzos y deformaciones cuando estas son recuperables. La pendiente del tramo inicial de la curva es una medida de rigidez del material. De dos piezas con la misma geometría, sometidas a la misma solicitación mecánica y fabricadas con diferentes materiales que trabajen dentro del campo elástico, aquella con mayor modulo será la que presente menores deformaciones.

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El límite elástico. (Limite de Fluencia o cedencia) : Es la tensión mínima que hay que aplicar para que aparezcan deformaciones permanentes en el material. Se define el limite elástico convencional, Rp, como el esfuerzo necesario para prov...