CIENCIA DE LOS MATERIALES

SEMINARIO: ACEROS INOXIDABLES

MARTENSÍTICOS

ENDURECIDOS POR PRECIPITACION.

Integrantes:

ALVAREZ, Tomás Alfredo

FERRER, Juan

Docentes:

DRUKER, Ana

PEDRANA, Enrique

AÑO: 2012

2

Contenido SEMINARIO: ACEROS INOXIDABLES ........................................................................................... 1

Introducción ............................................................................................................................. 3

Clasificación de los aceros inoxidables ................................................................................... 3

Endurecimiento por precipitación de los aceros. ....................................................................... 5

Propiedades y aplicaciones ................................................................................................... 6

Aceros inoxidables martensíticos .............................................................................................. 7

Transformación de la austenita en martensita....................................................................... 7

Propiedades .......................................................................................................................... 8

Temple .............................................................................................................................. 9

Revenido ........................................................................................................................... 9

Clasificación, propiedades y aplicaciones (según norma AISI) ................................................ 9

Bibliografía ............................................................................................................................. 12

3

Introducción

La mayoría de los metales se oxidan, por ejemplo, la plata se pone negra, el aluminio

cambia a blanco, el cobre cambia a verde y ordinariamente el acero cambia a rojo. En el

caso de acero, el hierro presente se combina con el oxígeno del aire para formar óxidos de

hierro o “herrumbre”. A principios del siglo XX algunos metalurgistas descubrieron que

adicionando poco más de 10% de cromo al acero, éste no presentaba herrumbre bajo

condiciones normales; la razón de ello es que el cromo suele unirse primeramente con el

oxígeno del aire para formar una delgada película transparente de óxido de cromo sobre la

superficie del acero y excluye la oxidación adicional del acero inoxidable. Esta película se

llama capa pasiva. En el caso de que ocurra daño mecánico o químico, esta película es auto

reparable en presencia de oxígeno.

El acero inoxidable es esencialmente un acero de bajo carbono, el cual contiene como

mínimo un aproximado 10.5% de cromo en peso, lo que le hace un material resistente a la

corrosión.

Clasificación de los aceros inoxidables El acero inoxidable puede ser clasificado en cinco familias diferentes; cuatro de ellas

corresponden a las particulares estructuras cristalinas formadas en la aleación: austenita,

ferrita, martensita y dúplex (austenita mas ferrita); mientras que la quinta son las

aleaciones endurecidas por precipitación, que están basadas más en el tipo de tratamiento

térmico usado que en la estructura cristalina.

4

5

Endurecimiento por precipitación de los aceros. Los aceros inoxidables endurecibles por precipitación o PH (Precipitation Hardening) son

aleaciones de hierro, carbono, cromo y níquel que se caracterizan por la resistencia

obtenida a partir del endurecimiento por tratamiento térmico de envejecimiento.

Estos aceros pueden ser martensíticos, austeníticos o intermedios entre ambos,

dependiendo de la proporción Cr/Ni. Lo que realmente distingue a estos aceros es la

adición de ciertos elementos tales como Al, Ti, Mo y Cu, que dan lugar a la aparición de

compuestos intermetálicos de manera controlada. Puntualmente, serán susceptibles de

ser endurecidas por este método, aquellas aleaciones en las cuales uno de sus compuestos

presente una variación de solubilidad junto con la disminución de la temperatura.

El propósito del endurecimiento por precipitación es el de crear, en una aleación tratada

con calor una dispersión densa y fina de partículas precipitadas en una matriz de metal

deformable con el fin de obtener un aumento en las propiedades de resistencia del

material.

El proceso de endurecimiento por precipitación incluye los tres pasos básicos siguientes:

1. El tratamiento calórico de la solución es el primer paso del proceso de endurecimiento

por precipitación. A veces este tratamiento recibe el nombre de solucionizado.

Básicamente consiste en una homogeneización de la solución solida, a partir de

favorecer el proceso de difusión.

2. El templado es el segundo paso del proceso del endurecimiento por precipitación. La

muestra es enfriada rápidamente a una temperatura más baja, generalmente la

temperatura ambiente, y el medio de enfriamiento suele ser agua a temperatura

ambiente. La estructura de la muestra de aleación después del templado en agua

consiste en una solución sólida de matriz martensítica sobresaturada o metaestable.

3. El envejecimiento: Por la condición solida metaestable es necesario envejecer la

solución tratada térmicamente y templada de la muestra de aleación para que se

forme un precipitado finamente disperso. Este, impide el movimiento de las

dislocaciones durante la deformación, debido a que las dislocaciones son obligadas a

cruzar transversalmente las partículas precipitadas o a rodearlas, hecho que refuerza

la aleación.

Cuando la aleación se deja envejecer a temperatura ambiente, el proceso se llama

envejecimiento natural, mientras que cuando dicho proceso se realiza a altas

temperaturas se denomina envejecimiento artificial. La mayoría de las aleaciones

requieren un envejecimiento artificial, y la temperatura de envejecimiento suele

oscilar entre 15 y 25 por ciento de la diferencia de temperatura entre la temperatura

ambiente y la del tratamiento térmico de la solución.

El efecto del envejecimiento sobre el endurecimiento de una aleación susceptible de ser

endurecida por precipitación, que ha sido termotratada y templada en solución, se

representa en general con una curva de envejecimiento. La curva de envejecimiento es una

6

gráfica de resistencia o dureza versus tiempo de envejecimiento (usualmente en una

escala logarítmica) a una temperatura particular.

En la grafica se muestra una curva de envejecimiento esquemática. En el tiempo cero, la

resistencia de la solución sólida sobresaturada se indica en la gráfica sobre el eje de las

ordenadas. Conforme aumenta el tiempo de envejecimiento se forman zonas de

precipitación y su tamaño aumenta, con lo cual la aleación se vuelve más resistente, más

dura y menos dúctil. La resistencia máxima (condición óptima de envejecimiento) se logra

si la temperatura de envejecimiento es suficientemente alta, lo cual suele estar asociado

con la formación de un precipitado metaestable intermedio. Si el envejecimiento continúa,

de manera que el precipitado intermedio se colapsa y aumenta de volumen, la aleación

envejece demasiado y se vuelve más débil que con respecto a la condición óptima de

envejecimiento.

Propiedades y aplicaciones

El límite elástico de los aceros inoxidables PH está comprendido entre 515 y 1415 MPa. La

resistencia mecánica entre 860 y 1520 MPa. Cuando son trabajados en frío antes de ser

sometidos a los tratamientos de envejecimiento, se consiguen aún mayores resistencias.

Las propiedades de los aceros inoxidables endurecibles por precipitación se basan en los

tratamientos térmicos a los que son sometidos. Además de su gran inoxidabilidad a la

temperatura ambiente y a elevadas temperaturas, las principales propiedades de este

nuevo grupo de aceros son:

Muy alta resistencia a la tensión en caliente: Estas propiedades permiten emplear

con éxito estos aceros para la fabricación de álabes de turbina y para otras piezas

de motores de aviación.

Gran dureza, gran resistencia mecánica y elevado límite de elasticidad a la

temperatura ambiente.

7

Aceros inoxidables martensíticos Los aceros inoxidables martensíticos son una rama de los aceros inoxidables, llamados

simplemente al Cromo. Estos aceros poseen en su estructura, además de Hierro, un

contenido de Carbono, que varía entre 0.15% a 1.2%, y de Cromo, cuyo porcentaje oscila

entre 11.5% a 18%. Son aleaciones que tienen una estructura austeníticas a elevada

temperaturas y que puede ser transformada en martensita después de un tratamiento

térmico de temple con enfriamiento en aire o aceite, elevando su dureza y resistencia al

desgaste.

Transformación de la austenita en martensita

Durante el enfriamiento rápido de la austenita, el tiempo disponible puede ser insuficiente

para que se produzcan transformaciones por difusión atómica. En su lugar existirá

austenita meta estable hasta que la temperatura llegue por debajo de un valor crítico (90 y

400ºC), al que comienza a producirse la transformación alotrópica. Con el descenso de

temperatura continua la formación de martensita. La temperatura Ms (comienzo de

formación de martensita) y Mf (final de formación de martensita) señalan el principio y el

fin de la transformación durante el enfriamiento; si este concluye antes de alcanzar el

valor Mf, se requiere un enfriamiento adicional para producir la transformación completa.

La temperatura Ms y el intervalo de temperatura de formación de martensita depende de

la composición del acero.

La transformación de la austenita en martensita es un proceso sin difusión, los átomos de

Hierro de la austenita, de red FCC, cizallan coordinadamente unos respectos de otros en

una fricción de distancia interatómica, de tal modo que forma una red tetragonal

centrada. Los átomos de Carbono, que están en solución sólida intersticial en la austenita,

no difunden y quedan atrapados a lo largo del eje c, de la martensita, produciendo la

tetragonalidad. De hecho, el grado de tetragonalidad depende directamente del contenido

de Carbono.

El aumento de volumen de aproximadamente 6%, que acompaña la formación de la

martensita, es una causa importante de la distorsión y fisuración que pueden producirse

durante los tratamientos térmicos comerciales.

8

El aspecto metalográfico de la martensita es marcadamente acicular, formando agujas en

zig-zag, con ángulos de 60º. Cuando la transformación es completa y el temple se realiza a

temperatura correcta, en general se obtienen estructuras de martensita muy fina, de difícil

observación por su aspecto difuso. En cambio, cuando las agujas aparecen sobre un fondo

blanco de austenita, la observación es bien clara.

Propiedades

La resistencia a la corrosión de este tipo de aceros inoxidables esta asociada a su

contenido de Cromo y a su microestructura. Las aleaciones de mayor contenido de

Carbono exhiben una menor resistencia a la corrosión en condición de temple y revenido,

debido a la mayor susceptibilidad a la precipitación de carburos de Cromo que presentan

estos materiales.

En términos generales se puede decir que los aceros inoxidables martensíticos presentan

una menor resistencia a la corrosión que las demás familias de aceros inoxidables, pero

tienen una resistencia mecánica elevada. Algunas aleaciones pueden ser tratadas

9

térmicamente para alcanzar valores de resistencia superiores a 1400 MPa. Estos aceros

inoxidables son magnéticos, pueden trabajarse en frío sin dificultad, especialmente con

bajo contenido de Carbono, pueden maquinarse satisfactoriamente, tienen buena

tenacidad, se trabajan fácilmente en caliente y tiene una baja conductividad térmica.

Temple

Todos los aceros inoxidables martensíticos pueden ser templados y revenidos, y la dureza

alcanzada dependerá del contenido de Carbono de la aleación (en aceros de bajo Carbono

la dureza máxima es de 45 HRc y en los de alto contenido de Carbono, la dureza puede

alcanzar valores próximos a 60 HRc). Al igual que los aceros al Carbono, estas aleaciones

son susceptibles a la fragilidad de revenido cuando son tratados térmicamente después

del temple en el rango de 450 a 540ºC. Su temperatura límite de trabajo es de 475ºC

puesto que se produce un fenómeno de fragilización por precipitación.

Revenido

Sólo se aplica a aceros previamente templados, para disminuir ligeramente los efectos del

temple, conservando parte de la dureza y aumentando la tenacidad. Consigue disminuir la

dureza y resistencia de los aceros templados, se eliminan las tensiones creadas en el

temple y se mejora la tenacidad, dejando al acero con la dureza o resistencia deseada. Se

distingue básicamente del temple en cuanto a temperatura máxima y velocidad de

enfriamiento.

Clasificación, propiedades y aplicaciones (según norma AISI)

AISI Composición química

Propiedades Usos

403 C: 0,15% máximo Cr: 11,5% a 13% Mn: 1% máximo Si:0,5% máximo

Limite elástico resistencia al impacto elevado. Resistente a la corrosión, alta resistencia mecánica y resistencia al impacto, fácilmente formable en frío

Construcción de los elementos de turbina delicados, como ser las alabes y las toberas

410 C: 0,15% máximo Cr: 11,5% a 13% Mn: 1% máximo Si:0,5% máximo

Resistente a la corrosión, alta resistencia mecánica y resistencia al impacto, fácilmente formable en frío

Construcción de válvulas, alambre tejido para zaranda, ejes de bombas, bulones, gran variedad de elementos para industria química, del petróleo, etc.

10

416 C: 0,15% máximo Cr: 11,5% a 13% Mn: 1% máximo Si:0,5% máximo P: 0,04% máximo S: 0,18% a 0,35% Mo: 0,6% máximo

Baja resistencia a la corrosión

Tornillos, remaches, elementos forjados, accesorios de tuberías para aviones

418 C: 0,15% máximo Cr: 12% a 14% Mn: 1% máximo Si:1% máximo W: 2,5% a 3,5%

Resistencia mecánica a alta temperatura. Resistencia a la deformación a temperatura hasta 600ºC igual o mayor a los aceros austeniticos. Fácilmente mecanizable y puede ser soldado sin dificultad

Para la construcción de vástagos de válvulas para vapor recalentados y tubos para los intercambiadores de calor

420 C: 0,25% a 0,35% Cr: 12% a 14% Mn: 1% máximo Si:1% máximo

Resistencia mecánica y ductilidad

Fabricación de cuchillos para mesa

420-F C: 0,25% a 0,35% Cr: 12% a 14% Mn: 1% máximo Si:1% máximo P, S o Se: 0,07% máximo Mo o Zr: 0,6% máximo

Similares a la precedente. Más fácil de mecanizar. Menor resistencia a la corrosión, impacto y formabilidad en frío

431 C: 0,20% máximo Cr: 15% a 17% Ní: 1,25% a 2,5%

Resistencia mecánica y al impacto similar a las del grado 414. Mayor resistencia a la corrosión y a la oxidación a altas temperaturas

440-A C: 0,6% a 0,75% Cr: 16% a 18% Mn: 1% máximo Si:1% máximo Mo: 0,75% máximo

Dúctil para ser formado en frío y adquiere dureza con el temple

Fabricación de cubiertos en general

440-B C: 0,75% a 0,95% Cr: 16% a 18% Mn: 1% máximo Si:1% máximo Mo: 0,75%

Mas duro que el 440-A

Bolillas y anillos para los rodamientos, instrumentos

11

máximo quirúrgicos y dentales, tijeras, cuchillos

440-C C: 0,95% a 1,2% Cr: 16% a 18% Mn: 1% máximo Si:1% máximo Mo: 0,75% máximo

Gran dureza, resistencia mecánica y resistencia a la corrosión, alta resistencia al desgaste por abrasión

Construcción de inyectores, elementos de válvulas, bolas para los molinos a bolas, asientos para las bombas de pozo de petróleo

440-F C: 0,95% a 1,2% Cr: 16% a 18% Mn: 1% máximo Si:1% máximo Se: 0,07% mínimo

Facilidad de ser mecanizado en maquina-herramientas automáticas

Fabricación de tornillos

12

Bibliografía

Smith, W.F. (2006), Fundamentos de la Ciencia e Ingeniería de los Materiales, McGraw-Hill

MANUAL DE LOS ACEROS INOXIDABLES, George Istrati - Capitulo III