Aceros de Construcción Sin Tratamiento Térmico
Definición
Son aceros de uso más general, representando un alto tonelaje de fabricación. Se utilizan en:
- Chapas
- Perfiles
- Construcciones civiles (en forma de chapas y perfiles)
- Maquinaria (en forma de piezas ensambladas)
Son aceros al carbono utilizados sin tratamiento térmico, en bruto de forja o laminación.
Aceros Utilizados en Bruto de Forja o Laminación
Se consideran de esta categoría aquellos aceros con las siguientes particularidades:
- Contenidos de 0.06 a 0.7 %C.
- Contenidos variables de Mn y Si.
- Contenido limitado en P y S.
Proceso de Desoxidación
El proceso de desoxidación (del fundido metálico) consiste en la adición de elementos (Mn, Al, Si) más afines al oxígeno que el carbono. Los elementos son inyectados por la base del fundido capturando oxígenos, o tratando la escoria (Mn, Al, Si) del fundido y variando el equilibrio de concentraciones de oxígeno entre escoria y fundido.
Entre sus efectos se encuentran:
- Reducción de la actividad del oxígeno.
- Limitación de los Sulfuros.
Si el acero es colado en lingotes, puede ser clasificado en 4 tipos, según la desoxidación aplicada:
- CALMADOS: Desoxidantes utilizados Al y Si. Para contenidos > 0.30% C
- SEMICALMADOS: Para contenidos del 0.15% al 0.30% C. Amplio rango de aplicaciones estructurales
- EFERVESCENTES: No aplica desoxidación. Notable heterogeneidad química. Limitaciones al contenido de C y Mn
- Efervescencia Interrumpida: Para contenidos > 0.15% y < 0.30% C. Para fabricación de alambres, chapas y barras
El proceso de desoxidación o calmado de aceros tiene como objeto controlar la homogeneidad química intermedia. Así, en el caso de aceros con elevados contenidos en carbono, el calmado evita su heterogeneidad química, limitando también la generación de porosidades (rechupes y/o sopladuras).
Atendiendo al % C y a las propiedades mecánicas, encontramos 2 tipos:
- Aceros SUAVES DE BAJO CONTENIDO EN CARBONO: Con contenidos en carbono, 0.06%C y 0.25%C.
- Aceros SEMIDUROS: Con contenidos en carbono, 0.25%C y 0.70%C.
Aceros Suaves de Bajo %C: Aceros Ferríticos
Son aceros con contenidos reducidos en carbono, 0.06%C y 0.25%C, a menudo conocidos como aceros comerciales. Presentan una resistencia de 350 a 530 MPa y un alargamiento de 23 a 33 %. Se emplean en:
- Construcciones de edificios.
- Puentes de ferrocarril.
- Cascos de buques, carrocerías de automóviles, etc.
Son aceros a los que vamos a exigir un comportamiento general:
Aceros suaves de bajo %C: aceros ferríticos. Resistencia a la tracción – Propiedad Mecánica ▲ st(MPa) f on (▲% Perlita ,▼ø grano de la ferrita (α)). Interesa una elevada resistencia a tracción para que se deforme el acero aunque la carga sea elevada antes de romper.
Temperatura de transición al impacto – Propiedad Mecánica ▼ Tt (ºC) : f on (▼Perlita , ▼N, ▼grano α, ▼ elementos solubles en α) Debe absorber energía de impacto e invertirla en modificar su microestructura antes de volverse inseguro para las personas.
Fácil soldabilidad: Cualidad necesaria para impedir que el acero se fragilice. Buena conformabilidad: Buen comportamiento durante el proceso de su elaboración.
Al recocer estos aceros deformados, cuya estructura está constituida por granos alargados de ferrita y perlita, se produce su recristalización dando lugar a finos granos poligonales de ferrita y colonias de perlita esferoidizada. Chapas Bobinas Tiempo en Días Tiempo en Minutos (650 a 750
Envejecimiento en Aceros Suaves
Tras la fase de recocido, si el recocido se ha realizado:
- A temperaturas que permiten que % de C y N permanezcan disueltos en la ferrita.
- El enfriamiento ha sido lo suficientemente rápido para no precipitar de C y N.
Envejecimiento, Por Temple A t a ambiente A t a baja de temple Por deformación (a t a ambiente)
Envejecimiento por Temple
Es originado mediante la eliminación de la solubilidad del C y N2 en la ferrita con la temperatura. Siendo la solubilidad de C, del 0.0218 % a 727 ºC y despreciable a t a ambiente . N2 , del 0.093 % a 585 ºC y despreciable a t a ambiente. Evitamos el envejecimiento por temple a través de la adición al acero de aleantes tales como el Titanio (Ti) y el Zirconio (Zr)
A temperaturas cercanas y constantes a la de ambiente la dureza se incrementa con el tiempo de envejecimiento. A t as > t a ambiente, la dureza incrementa rápidamente y se detiene en un valor pico. A t as > t a ambiente, la dureza decrece lentamente una vez alcanzado el valor pico, se conoce como sobrenvejecimiento.
Envejecimiento por Deformación
El inicio del fenómeno es la deformación plástica del acero, sin ser necesario que el acero esté sobresaturado en C. El responsable del envejecimiento es el N2, debido a su mayor solubilidad en la ferrita a temperatura ambiente, siendo el C efectivo si la temperatura es alta (>100 ºC), o si su concentración es elevada. Es causado por la segregación de los elementos intersticiales, C y N2 , en el campo de deformación de las dislocaciones impidiendo el movimiento.
Aplicando una carga y una deformación determinadas alcanzamos el punto A, en el que finaliza la zona elástica. A: Límite de fluencia superior. Se aprecia un fenómeno conocido como fluencia, en el que la gráfica desciende de A hasta B. B: Límite de fluencia inferior De B a C, se produce una elongación de toda la pieza de acero, conocido como deformación Luders. A partir de C, comienza el proceso de endurecimiento por deformación hasta alcanzar la rotura del material Si en D, reducimos la carga el material recuperará su forma según la línea DE. Se habrá generado una nueva curva.
Si cargamos el material de nuevo, superando la zona elástica EA’, se comprueba que:
- El límite elástico ▲. Punto A’
- La deformación total ▼. Δϵ
- La t a de transión al impacto ▲
- La deformación de luders se ha reducido eL
Ventaja / Particularidad: El envejecimiento por deformación no desarrolla sobrenvejecimiento. Es decir, la dureza del acero no se ve mermada o reducida por el tiempo de aplicación. En ese caso, la dureza aumenta en todo el proceso.
Envejecimiento por deformación dinámica Envejecimiento resultante de la combinación de:
- Envejecimiento por deformación (energía mecánica)
- Aplicación de temperatura entre 150 y 300 ºC, (energía térmica)
El C y N2 pueden difundir a las dislocaciones durante la deformación, corriendo el riesgo de envejecer. El fenómeno conocido como envejecimiento por deformación dinámica.
La curva esfuerzo-deformación se encuentra caracterizada por el desarrollo agudos dientes de sierra. Éstos representan los fenómenos de endurecimiento debidos al envejecimiento por deformación dinámica y estática. Favorece la mejora de la resistencia del acero tratado en detrimento de la deformación necesaria para alcanzar las mismas características en ausencia de aporte térmico, como se observa a continuación
Aceros Semiduros Ferrítico Perlíticos
Son aceros con un contenido en carbono entre 0.25 % y 0.70 %. Su resistencia varía entre 500 y 900 MPa y su alargamiento entre 13 y 24 %. Se utilizan en ejes, raíles y distintos elementos de máquinas y motores.
Son aceros que necesitarán ser calmados debido a su elevado contenido en carbono. El objeto del calmado es mantener una buena homogeneidad química y evitar la formación de indeseables porosidades (rechupes y/o sopladuras) Son aceros con un una estructura ferrítico perlítica, cuyos contenidos en perlita aumentarán con el aumento del contenido en C. ¿Por qué aumenta la perlita con el aumento del contenido en C? Si revisamos la primera parte de la asignatura, encontraremos que la perlita está constituida por Ferrita (Solución sólida de C en Hierro Alfa) y de cementita (Fe3C). Es en el último constituyente donde entra en juego el C (debido a que el hierro alfa disuelve una cantidad de C prácticamente despreciable a temperatura ambiente.).
¿Por qué Rt, Acero Semiduro > Rt, Acero suave y ΔL Acero Semiduro < ΔL Acero suave ? Acero suave, se encuentran constituidos por estructuras ferriticoperlíticas ricas en ferrita Acero semiduro, se encuentran constituidos por estructuras ferriticoperlíticas con mayores contenidos en perlita que los suaves
Presentan microestructuras similares a las reflejadas en las fotomicrografías 1 y 2. Puede observarse una clara disposición laminar de la ferrita y la perlita. Existe una estrecha relación entre microestructura y las propiedades mecánicas
Propiedades Mecánicas Límite elástico: ▲ sy (MPa) = f on (▲%Ferrita, ▼ø de grano ferrítico, ▼ Espaciado interlaminar de la perlita) Resistencia a la tracción: ▲ s (MPa) * = ▲ sy (MPa) *: Afecta más el espaciado interlaminar de la perlita. La gráfica expresa la influencia del %C en las características mecánicas▲ %C : ▼ Resiliencia ▲ Resistencia ▲ Límite elástico . La temperatura de transición al impacto: ▼ Tt (ºC) = f on (▼ø de grano ferrítico) Según la figura, a ▲ % C, mayor será el valor de la temperatura de transición al impacto del acero. Así, para una acero:
- 0,11%C à Tt (ºC) = 0 ºC
- 0,31%C à Tt (ºC) = 100 ºC
Control del Tamaño de Grano
El control del tamaño de grano de la ferrita en los aceros ferríticoperlíticos y el de las colonias perlíticas en los perlíticos, es una herramienta eficaz en el control de sus propiedades. Los métodos disponibles actúan sobre el grano austenítico y son:
- El normalizado: Calentar el acero homogéneamente en el dominio austenítico y enfriar al aire.
- Ciclos cortos de austenización: Variante del anterior a mayor temperatura y en ciclos de unos segundos
- El sistema de laminación controlada
- Adición de aluminio: Precipitación de nitruros que anclan los bordes de grano evitando su crecimiento
Tratamiento Termomecánico
Actualmente, para aceros ≤ 0,8 %C y de baja aleación, se aplica un proceso de tratamiento termomecánico. Se obtienen microestructuras de grano ultrafino Inicialmente es calentado hasta alcanzar una micro estructura austeníticaLa duración del calentamiento viene definido por el tamaño de grano, < 10 mm. Se enfría el acero por debajo de la temperatura de recristalización. Posteriormente se lamina y se obtiene una microestructura severamente deformada. Tras la laminación, se enfría a una velocidad de 5 ºC/s como máximo hasta una temperatura de 500 ºC. Pasando de una microestructura de austenita a una ferrita y perlita de grano muy fino, hasta 3 mm. Alto límite elástico y alta tenacidad incluso a bajas temperaturas. α y P ≤ 3 mm → Rt = 750 MPa para %C medios
Bandeado Microestructural
Microestructuras, frecuentes en los aceros laminados en caliente, consistentes en bandas alternadas de ferrita y perlita del bandeado causado por la segregación interdendrítica de manganeso durante la solidificación bandas perlíticas con la segregación del manganeso, el cual reduce la actividad del carbono que se segrega con él
Las Inclusiones
Las inclusiones en este tipo de aceros son muy frecuentes. Aportan cierta direccionalidad a las propiedades mecánicas. Por este preciso motivo, se trata de controlar su presencia en los aceros. Los efectos que desarrollan en los aceros dependen del:
- Tamaño de las inclusiones
- Cantidad y distribución
- Son fon del proceso de elaboración del acero
- Forma espacial; Nos interesa que sea lo más esférica posible para reducir al máximo sus dañinos efectos
Inclusiones
Afectan negativamente a la tenacidad:
- Alúmina y aluminatos de calcio: Son frágiles e indeformables a todas las temperaturas.
- Óxidos de hierro, manganeso y dobles: Son plásticos a temperatura ambiente.
- Silicatos de calcio, manganeso, hierro y aluminio: Son frágiles a temperatura ambiente.
- Sulfuro de manganeso: Presenta un carácter muy plástico.