TEMA PARA LA MATERIA DE INGENIERÍA DE LOS MATERIALES...INSTITUTO TECNOLÓGICO DE SONORA...t/t

1. ACEROS AL CARBONO Grecia Cristina Córdova Osorio. Aceros al Carbono. Ingeniería de los Materiales. Maestro: Miguel Ángel Castro Ramírez Guaymas, Son., a 04 de Mayo de 2010

2. Antecedentes Después del siglo XIV se aumentó el tamaño de los hornos utilizados para la fundición y se incrementó el tiro para forzar el paso de los gases de combustión por la carga o mezcla de materias primas. En estos hornos de mayor tamaño el mineral de hierro de la parte superior del horno se reducía a hierro metálico y a continuación absorbía más carbono como resultado de los gases que lo atravesaban. El producto de estos hornos era el llamado arrabio, una aleación que funde a una temperatura menor que el acero o el hierro forjado. El arrabio se refinaba después para fabricar acero. Objetivo Estudiar los microconstituyentes presentes en el acero, así como los procesos y tipos de endurecimientos aplicados en la industria. Metodología El presente trabajo ampliará los conocimientos sobre el aceros, recurriendo a una investigación bibliográfica. Pretende abordar el tema , revisando primeramente los microconstituyentes presentes en el acero, seguido de los procesos, después se hablará acerca de los tipos de endurecimientos los cuales pueden se por deformación, por solución sólida, por dispersión, por precipitación, por tamaño de grano. El desarrollo del presente trabajo fue redactado mediante la investigación de textos científicos. Estructura del trabajo El presente trabajo tratará sobre tres puntos : en el primer punto se aborda los aceros al carbono; como segundo punto se tiene los procesos ; finalmente el tercer punto trata sobre los tipos de endurecimiento. INTRODUCCIÓN. Instituto Tecnológico de Sonora Ingeniería de los Materiales

4. I. ACEROS AL CARBONO A. Ferrita. B. Cementita. C. Perlita. D. Austenita. E. Martensita. F. Troostita. G. Sorbita. H. Esferoidita. I. Ledeberita. J. Bainita. Instituto Tecnológico de Sonora Ingeniería de los Materiales

5. I. ACEROS AL CARBONO También se le conoce como hierro α y contiene un máximo de 0.025% de carbono en solución sólida. Es estable debajo de la temperatura crítica superior, tiene una estructura BCC y es suave, maleable y dúctil. Su dureza varía de 60 a 90 BHN (dureza de Brinell). Solución sólida intersticial de una pequeña cantidad de C disuelto en hierro alfa. Máxima solubilidad, 0,025% de C a 723ºC. Disuelve sólo 0,008% de C a temperatura ambiente. Es la estructura más suave del diagrama. Carga de rotura, 40 psi, dureza menor que Rockwell , elongación 40% en dos pulgadas A. Ferrita. Instituto Tecnológico de Sonora Ingeniería de los Materiales La ferrita se observa al microscopio como granos poligonales claros.

7. I. ACEROS AL CARBONO Está formada por láminas alternas de ferrita y perlita y se puede considerar como una mezcla eutectoide de ferrita y cementita. Contiene aproximadamente 0.8% de carbono en hierro y es estable debajo de la temperatura crítica inferior. Es el constituyente, más fuerte del acero, tiene una dureza de aproximadamente 180 VPN, resistencia a la tensión de 9000 a 9400 N/cm2, con aproximadamente 6 a 8% de elongación. Su nombre se deriva de la madreperla debido a que tiene apariencia de perla cuando se observa con un microscopio. C. Perlita. Instituto Tecnológico de Sonora Ingeniería de los Materiales

8. I. ACEROS AL CARBONO C. Perlita. Instituto Tecnológico de Sonora Ingeniería de los Materiales 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. Esta estructura laminar se observa en la perlita formada por enfriamiento muy lento. Si el enfriamiento es muy brusco, la estructura es más borrosa y se denomina perlita sorbítica. Si la perlita laminar se calienta durante algún tiempo a una temperatura inferior a la crítica (723 ºC), la cementita adopta la forma de glóbulos incrustados en la masa de ferrita, recibiendo entonces la denominación de perlita globular.

10. I. ACEROS AL CARBONO Se obtiene cuando el acero se enfría súbitamente desde el estado autenítico a la temperatura ambiente. Se forma por la operación de endurecimiento del acero. Tiene una dureza de aproximadamente 750 VPN. Se puede decir que es una solución sobresaturada de carbono en hierro, lo que le da estructura semejante a agujas. Es magnética y quebradiza. Después de la cementita es el constituyente más duro de los aceros. La martensita se presenta en forma de agujas y cristaliza en la red tetragonal. La proporción de carbono en la martensita no es constante, sino que varía hasta un máximo de 0.89% aumentando su dureza, resistencia mecánica y fragilidad con el contenido de carbono. Su dureza está en torno a 540 Vickers, y su resistencia mecánica varía de 175 a 250 Kg/mm2 y su alargamiento es del orden del 2.5 al 0.5%. Además es magnética. Instituto Tecnológico de Sonora Ingeniería de los Materiales E. Martensita.

11. I. ACEROS AL CARBONO Es una perlita muy fina que se encuentra en los aceros enfriados a menor velocidad desde la temperatura de endurecimiento que la permitida para la formación de martensita. También se produce templando martensita entre 200 y 450 °C. En microscopios de alta potencia aparece como un laminado de ferrita y cementita. Difiere de la perlita sólo en el grado de finura. Es un agregado muy fino de cementita y ferrita, se produce por un enfriamiento de la austenita con una velocidad de enfriamiento ligeramente inferior a la crítica de temple o por transformación isotérmica de la austenita en el rango de temperatura de 500 a 6000C, o por revenido a 4000C. Sus propiedades físicas son intermedias entre la martensita y la sorbita, tiene una dureza de 400 a 500 Brinell, una resistencia a la tracción de 140 a 175 kg/mm2 y un alargamiento del 5 al 10%. Es un constituyente nodular oscuro con estructura radial apreciable a unos 1000X y aparece generalmente acompañando a la martensita y a la austenita. Instituto Tecnológico de Sonora Ingeniería de los Materiales F. Troostita.

12. I. ACEROS AL CARBONO Se produce templando aceros al carbono simplemente endurecidos entre 450 y 630 °C. En general se encuentra en los aceros estructurales tratados térmicamente, como bielas, ejes y cigüeñales, sujetos a esfuerzos dinámicos. Es un agregado fino de cementita y ferrita. Se obtiene por enfriamiento de la austenita con una velocidad de enfriamiento bastante inferior a la crítica de temple o por transformación isotérmica de la austenita en la zona de 600 a 650%, o por revenido a la temperatura de 600%. Su dureza es de 250 a 400 Brinell, su resistencia a la tracción es de 88 a 140 kg/mm2 ,con un alargamiento del 10 al 20%. Con pocos aumentos aparece en forma muy difusa como manchas, pero con 1000X toma la forma de nódulos blancos muy finos sobre fondo oscuro, de hecho tanto la troostita como la sorbita pueden considerarse como perlita de grano muy fino. Instituto Tecnológico de Sonora Ingeniería de los Materiales G. Sorbita.

13. I. ACEROS AL CARBONO Para suavizar los aceros endurecidos al aire y llevar a cabo operaciones de maquinado, los aceros se calientan justo debajo de la temperatura crítica inferior (640 a 690 °C). La cementita se convierte en pequeñas esferas redondas conocidas como esferoiditas. Es un microconstituyente que aparece en algunos aceros. Está formado por una matriz ferrítica con partículas gruesas de cementita. En esta estructura las dislocaciones encuentran muchas menos intercaras cementita - ferrita que en la perlita y otros microconstituyentes y esto hace que las dislocaciones se propaguen con facilidad, formando aleaciones muy dúctiles y tenaces. Instituto Tecnológico de Sonora Ingeniería de los Materiales H. Esferoidita.

14. I. ACEROS AL CARBONO Es una eutéctica de hierro y carbono que contiene 4.3% de carbono y es estable debajo de 1130°C. Está formada de ferrita y cementita. Está formada por 52% de cementita y 48% de austenita de 2% C. La ledeburita no existe a temperatura ambiente en las fundiciones ordinarias debido a que en el enfriamiento se transforma en cementita y perlita; sin embargo en las fundiciones se pueden conocer la zonas donde existió la ledeburita por el aspecto eutéctico con que quedan las agrupaciones de perlita y cementita. Instituto Tecnológico de Sonora Ingeniería de los Materiales I. Ledeberita.

15. I. ACEROS AL CARBONO Tiene una estructura parecida a agujas y se encuentran en los aceros aleados. Se parece a la martensita. Durante el tratamiento térmico, la bainita inferior se forma a 325°C y la bainita superior a 400°C. La estructura de la bainita inferior es de alguna manera similar a la martensita ligeramente templada. A diferencia de la perlita, la ferrita y la cementita, la bainita no están presentes en formas que dependen de la aleación y la temperatura de transformación. La microestructura depende de la temperatura y se distinguen dos morfologías: Bainita superior: Se forma en rangos de temperatura inmediatamenta inferiores a los de perlita. se compone de agujas o bastones de ferrita con cementita entre ellas. Bainita inferior: Se forma a temperatura del orden de la martensita Ms (ligeramente superiores ). Instituto Tecnológico de Sonora Ingeniería de los Materiales J. Bainita.

16. II. PROCESOS A. Recocido B. Esferoidizado C. Normalizado D. Revenido E. Carbonitruración. F. Cianurado G. Nitrurado H. Cementación Instituto Tecnológico de Sonora Ingeniería de los Materiales

17. Es el tratamiento térmico utilizado para producir una perlita blanda y gruesa en un acero, mediante la austenitización y, a continuación, un enfriamiento en horno. El recocido tratamiento térmico de recristalización, utilizado para eliminar el efecto del trabajo en frío en acero con menos de aproximadamente 0.25%C. Éste se efectúa de 80°C a 170°C por debajo de la temperatura. La meta del proceso de recocido es reducir o eliminar de manera significativa los esfuerzos residuales. Instituto Tecnológico de Sonora Ingeniería de los Materiales A. Recocido II. PROCESOS

18. Este es el proceso de recocido para la conversión de cementita en estructura esferoidal. Por lo general, esta operación se aplica a los aceros hipereutectoides. En esta operación, el acero se calienta apenas arriba de la temperatura crítica inferior (740 a 770°C), se sostiene por el tiempo requerido y se enfría muy lentamente hasta 600°C. Instituto Tecnológico de Sonora Ingeniería de los Materiales B. Esferoidizado II. PROCESOS

20. El revenido es un tratamiento térmico consistente en proporcionar un calentamiento a una pieza, después del temple, entre la temperatura ambiente y la de transformación (aprox. 730 ºC.), según el tipo de acero a tratar, efectuándose un mantenimiento, más o menos prolongado, a esta temperatura seguido de un enfriamiento adecuado. El revenido tiene como fin disminuir la elevada fragilidad producida por el temple anterior, así como proporcionar a los aceros una cierta tenacidad, a la vez que se eliminan o disminuyen las tensiones producidas por el temple. En consecuencia, se debe efectuar el revenido inmediatamente seguido a la operación de temple. Instituto Tecnológico de Sonora Ingeniería de los Materiales D. Revenido II. PROCESOS

21. La mayor tenacidad de las piezas revenidas tiene generalmente como consecuencia una cierta disminución de la dureza conseguida durante el temple. Generalmente se puede decir que con la temperatura ascendente de revenido, aumentan la elasticidad y alargamiento y disminuyen la resistencia y la dureza (a excepción de los aceros rápidos). El efecto del revenido depende de la aleación del acero, del temple, del espesor de la pieza y del tratamiento aplicado. El efecto del revenido es más fuerte para piezas de acero poco aleado, de dimensiones delgadas y de mayor contenido en carbono. Instituto Tecnológico de Sonora Ingeniería de los Materiales D. Revenido II. PROCESOS

22. En el proceso de carbonitruración se genera un gas que contiene monóxido de carbono y amoniaco, difundiéndose en el acero, tanto el carbono como el nitrógeno. Sustituye a la cementación, cuando la capa dura no necesita gran penetración, con la ventaja de ser un proceso a menor temperatura, menor crecimiento de grano y menores posibilidades de deformaciones por el temple. Durante el templado, el resto de la pieza adquiere la dureza posible para el tipo de acero o hierro que se utilice y la capa carbonitrurada conserva su dureza hasta temperaturas de trabajo más altas que si fuera solamente cementada. Todo el proceso se realiza bajo artmósfera controlada, salvo en el breve momento de su paso al baño de templado. La composición de dicha atmósfera se controla para lograr la penetración del carbono y del nitrógeno, y sus proporciones son también influidas por la temperatura a la que se realiza el proceso. No es práctico para obtener penetraciones de más de 0.5mm pero puede ser precedido de una paso de cementación para lograr capas más profundas cementadas. Instituto Tecnológico de Sonora Ingeniería de los Materiales E. Carbonitruración. II. PROCESOS

23. El acero se sumerge a un baño de cianuro líquido que permite la difusión en el acero tanto del carbono como del nitrógeno. Instituto Tecnológico de Sonora Ingeniería de los Materiales II. PROCESOS F. Cianurado También llamado carbonitrurado liquido, el cianurado consiste en combinar la absorción y nitrógeno para obtener la dureza necesaria en materiales de bajo carbón. El material es sumergido en un baño de sales de cianuro de sodio.

24. Proceso de endurecimiento de la superficie de un acero mediante nitrógeno obtenido de una atmósfera especial de gas. Consiste en calentar componentes terminados maquinados y tratados térmicamente a una temperatura de 500 °C por 40 a 90 horas en una caja hermética en la que se circula gas de amoniaco. Instituto Tecnológico de Sonora Ingeniería de los Materiales II. PROCESOS G. Nitrurado Proceso termoquímico a baja temperatura que no necesita temple posterior para obtener la dureza deseada. Esta combinación de baja temperatura (510°C) y enfriamiento lento permite reducir la posibilidad de deformaciones por causa del proceso (Queda la posibilidad de la existencia de tensiones previas en el material que se pueden relajar durante el calentamiento, y también hay un leve crecimiento dimensional por la producción de la capa, que se limita a algunas centésimas de mm y es calculable).

25. Es un método de enriquecimiento de carbono de la capa superficial de un acero de bajo carbono para producir una superficie dura. Las partes de acero de bajo carbono maquinadas por desbaste se empacan en una mezcla carburante en una caja de acero. Por lo general la mezcla carburante se utiliza contiene 50 a 70% de carbón vegetal, 5 a 15% de carbonato de bario, 2 a 15% de carbonato de calcio y 3 a 13% de carbonato de sodio. Instituto Tecnológico de Sonora Ingeniería de los Materiales II. PROCESOS H. Cementación

26. III. TIPOS DE ENDURECIMIENTO A. Endurecimiento por deformación. B. Endurecimiento por solución sólida. C. Endurecimiento por dispersión. D. Endurecimiento por precipitación E. Endurecimiento por tamaño de grano Instituto Tecnológico de Sonora Ingeniería de los Materiales

27. Las dislocaciones interrumpen la perfección de la estructura cristalina. En la figura 4-19, los átomos abajo de la línea de dislocación en el punto B están comprimidos, mientras los de arriba B están muy alejados. Si la dislocación A se mueve hacia la derecha y pasa cerca de la dislocación B, la dislocación A se encuentra con una región donde los átomos no tienen orden adecuado. Se requieren mayores esfuerzos para mantener en movimiento la segunda dislocación; en consecuencia, el metal debe ser más resistente. Al aumentar la cantidad de las dislocaciones, sigue aumentando la resistencia del material, por que al aumentar la densidad de las dislocaciones se producen más obstáculos en movimiento de las dislocaciones. Se puede demostrar que la densidad de dislocaciones aumenta en forma notable a medida que se deforma un material. Este mecanismo de aumentar la resistencia de un material por medio de la deformación se llama endurecimiento por deformación (o endurecimiento por trabajo frío). También podemos demostrar que es posible reducir la densidad de dislocaciones, en forma apreciable, calentando un material a una temperatura relativamente alta y manteniéndolo en ella durante largo tiempo. A este tratamiento se le llama recocido y se usa para impartir ductilidad a los materiales metálicos. Por lo anterior, el control de la densidad de dislocaciones es un método importante para controlar la resistencia y la ductilidad de los metales y las aleaciones. Instituto Tecnológico de Sonora Ingeniería de los Materiales III. TIPOS DE ENDURECIMIENTO A. Endurecimiento por deformación.

28. Instituto Tecnológico de Sonora Ingeniería de los Materiales III. TIPOS DE ENDURECIMIENTO A. Endurecimiento por deformación.

29. Instituto Tecnológico de Sonora Ingeniería de los Materiales III. TIPOS DE ENDURECIMIENTO A. Endurecimiento por deformación.

30. Cualquiera de los defectos puntuales también interrumpe la perfección de la estructura cristalina. Cuando la estructura cristalina del material anfitrión asimila por completo los átomos o los iones de un elemento o compuesto huésped, se forma una solución sólida. Esto ocurre de manera parecida a la forma en que la sal o el azúcar se disuelven en agua, en bajas concentraciones. Si una dislocación A se mueve hacia la izquierda. Ver figura, se encuentra un cristal perturbado debido a efecto puntual; son necesarios mayores esfuerzos para continuar el deslizamiento de la dislocación. Si en forma intencional se introducen átomos sustitucionales o intersticiales, se produce un endurecimiento por solución sólida. Este mecanismo explica por que el acero simple al carbono es más resistente que el Fe puro, o por que las aleaciones de cobre con pequeñas concentraciones de Be son mucho más resistentes que el Cu puro. El oro o la plata puros, que son metales FCC con muchos sistemas de deslizamiento activos, son demasiado suaves mecánicamente. Instituto Tecnológico de Sonora Ingeniería de los Materiales III. TIPOS DE ENDURECIMIENTO B. Endurecimiento por solución sólida.

31. Instituto Tecnológico de Sonora Ingeniería de los Materiales III. TIPOS DE ENDURECIMIENTO B. Endurecimiento por solución sólida.

32. Instituto Tecnológico de Sonora Ingeniería de los Materiales III. TIPOS DE ENDURECIMIENTO B. Endurecimiento por solución sólida.

33. Al producir un material que contenga dos o más fases se obtiene el endurecimiento por dispersión. En los materiales metálicos, el límite entre las fases impide el movimiento de dislocaciones y mejora la resistencia. La introducción de varias fases puede aportar otras ventajas, incluyendo el mejoramiento de la tenacidad de las cerámicas y los polímetros a la fractura. Para obtener un endurecimiento óptimo por dispersión, en especial en los materiales metálicos, se debería formar una gran cantidad de partículas pequeñas, duras y discontinuas de la fase dispersa, en una matriz suave y dúctil, par proporcionar los obstáculos más efectivos contra las dislocaciones. Las partículas redondas de fase dispersa minimizan las concentraciones de esfuerzos, y las propiedades lineales de la aleación se pueden controlar con las cantidades relativas de estas y de la matriz. Instituto Tecnológico de Sonora Ingeniería de los Materiales III. TIPOS DE ENDURECIMIENTO C. Endurecimiento por dispersión.

34. Se produce por una secuencia de transformaciones de fase que conduce a una dispersión uniforme de precipitados coherentes de tamaño fino en una matriz mas blanda y dúctil. Una importante ventaja del endurecimiento es que se puede utilizar para elevar el límite de cedencia de muchos materiales metálicos mediante tratamientos médicos relativamente simples y sin causar cambios importantes en la densidad; por tanto, la relación de resistencia a densidad de una aleación puede mejorar considerablemente utilizando endurecimiento por precipitación o envejecimiento. Por ejemplo, el límite de esfuerzo de fluencia de una aleación de aluminio puede incrementarse de aproximadamente 20000 a 60000 psi como resultado de este método de endurecimiento. Instituto Tecnológico de Sonora Ingeniería de los Materiales III. TIPOS DE ENDURECIMIENTO D. Endurecimiento por precipitación

35. Las imperfecciones de la superficie, tales como los límites de grano, perturban el arreglo de los átomos en los materiales cristalinos. Si la dislocación B se mueve hacia la derecha, se encuentra con un límite de grano y queda bloqueada. Al aumentar la cantidad de granos, o reducir tamaño de grano, se produce un endurecimiento por tamaño de grano en los materiales metálicos. Instituto Tecnológico de Sonora Ingeniería de los Materiales III. TIPOS DE ENDURECIMIENTO E. Endurecimiento por tamaño de grano

36. CONCLUSIÓN Instituto Tecnológico de Sonora Ingeniería de los Materiales Los microcontituyentes presentes en el acero son la ferrita, cementita, perlita, austenita, martensita, troostita, sorbita, esferoidita,ledeberita, bainita. El proceso de recocido se aplica a fundiciones, forjas, hojas y alambres trabajados en frío. Del proceso de esferoidizado resulta la estructura de perlita granular o esferoidita. La diferencia entre el recocido y el normalizado es que durante el recocido, el componente se enfría en el horno, mientras que durante el normalizado se enfría en el aire sin movimiento. El normalizado proporciona una mejor resistencia. El acero normalizado muestra un porcentaje de elongación menor. Los componentes recocido son comparativamente más suaves y maquinables. En muchos casos, los componentes normalizados dan mayor resistencia al impacto que los componentes recocidos del mismo material. El normalizado es más rápido y barato.

37. Instituto Tecnológico de Sonora Ingeniería de los Materiales Si comparamos la cianuración con la carburación con sólidos, la cianuración tiene ventajas ya que produce una rápida trasferencia de calor, baja distorsión , oxidación o descarburación de las superficie despreciables, profundidad uniforme de la cubierta, y rápida absorción del carbono y nitrógeno. Por otro lado, las sales del cianuro son venenosas y sus humos deben evitarse. Muchos de los componentes industriales requieren de una superficie dura resistente al desgaste y un núcleo suave, pero que también sea tenaz y resistente al impacto. Ningún acero al carbono simple, ni siquiera los aceros aleados, poseen ambos requerimientos, es por eso que requieren cierto tipo de endurecimientos como puede ser por deformación, por solución sólida, por dispersión, por precipitación, por tamaño de grano.

38. BIBIOGRAFÍA Instituto Tecnológico de Sonora Ingeniería de los Materiales H.S. Bawa (2007). Procesos de manufactura. Primera Edición. McGraw-Hill/Interoamericana Editores, S.A. de C.V. : India. Donald R. Askeland (2004). Ciencia e ingeniería de los Materiales. Cuarta Edición. Thomson: México

39. REFERENCIAS DE INTERNET Instituto Tecnológico de Sonora Ingeniería de los Materiales Fecha de consulta: 03 de Mayo de 2010. Horario de consulta: Desde las 10:00 am Buscador utilizado: www.google.com.mx Protocolo de internet: http: Página consultada: bibdigital.epn.edu.ec Ruta del directorio: /bitstream/ Nombre del archivo: 15000/1282/1/CD-2012.pdf Disponible en [ bibdigital.epn.edu.ec/bitstream/15000/1282/1/CD-2012.pdf ] Autor: Escuela Politécnica Nacional