aleaciones de acero
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Aleaciones de Acero y sus Aplicaciones en Aeronáutica
Reparaciones Estructurales
En esta exposición veremos:
Clasificación de los aceros Diagrama de fase FE-C Aceros aleados Fundiciones Mecanizado del acero Designación de los aceros Aplicaciones en aeronáutica Conclusiones
Clasificación de los Aceros
Básicamente los aceros se clasifican en…
Acero de bajo carbón
Acero de medio carbón
Acero alto en carbón
Acero inoxidable
Acero mecanizable
Aunque también podemos encontrar…
Fundiciones Aceros ultrarresistentes de baja
aleación
Diagrama de Fase Hierro-Carbono El diagrama hierro-carbono, aun cuando teóricamente representa unas condiciones metaestables, se puede considerar que en condiciones de calentamiento y enfriamiento relativamente lentas representa cambios de equilibrio.
Fases d
el d
iag
ram
a
Ferrita
Auste
nita
Esta fase es una solución sólida de carbono en la red cristalina del hierro BCC. Como se indica en el diagrama de fases Fe - Fe3C, el carbono es muy poco soluble en ferrita-α, alcanzando la máxima solubilidad sólida, de un 0.02 % a 723 ºC. La solubilidad del carbono en ferrita-α disminuye a un 0.005 % a 0 ºC. La ferrita libre disminuye la dureza y la resistencia mecánica de los aceros, pudiendo cuando se halla en gran cantidad, afectar desfavorablemente su facilidad de mecanizado.
La solución sólida intersticial de carbono en hierro (γ) se llama austenita. La austenita tiene estructura cristalina FCC y mucha mayor solubilidad sólida para el carbono que la ferrita-α. La máxima solubilidad del carbono en austenita es de 2.08 % a 1148 ºC y disminuye a un 0.8 % a 723 ºC.
Fases d
el d
iag
ram
a
Cem
entita
El compuesto intermetálico Fe3C se llama cementita. Tiene límites despreciables de solubilidad y una composición del 6.67 % y 93.3 % en hierro. Es un compuesto duro y quebradizo. La cementita libre sobre todo cuando contiene carburos distintos al del hierro, aumenta la dureza y la resistencia al desgaste de los aceros, dificultando su facilidad de mecanizado.
Au
ste
nita
Perlita
Bain
ita
Si la austenita es enfriada pero a una temperatura por encima de la nariz de la curva y se mantiene dicha temperatura.
Si la austenita es súbitamente enfriada por debajo de la nariz de la curva y se mantiene dicha temperatura.
Au
ste
nita
Marte
nsita
Si la austenita es enfriada súbitamente por debajo de la temperatura Ms (se suele considerar próxima a 215º C). Una vez iniciada la reacción de transformación de la austenita en martensita, ésta es independiente del tiempo, sólo es función del descenso de temperatura. La martensita cristaliza en la red tetragonal centrada en el cuerpo (el cubo se distorsiona por la inclusión de los átomos de carbono en los huecos intersticiales).
Los aceros constituidos íntegramente por perlita son aceros eutectoides.
Los aceros con poco contenido en carbono (hasta el 0.77 %) se llaman aceros hipoeutectoides y están formados por perlita y ferrita.
El acero con cantidades de carbono mayor al 0.77 % C es una mezcla de perlita y cementita (acero hipereutectoide).
Aceros Aleados
Contienen, además del carbono otros elementos en cantidades suficientes como para alterar sus propiedades.
Principales materiales de aleación
Acero
s a
lead
os
Cro
mo
Cro
mo-N
íquel
Contienen entre el 12 y el 15 % de cromo.
Resistentes a la corrosión. Se emplean en cuchillería,
electrodomésticos y en calderas.
Hasta el 18 % de cromo y 12 % de níquel.
Inoxidables, moldeables y forjables. Cuberterías, material quirúrgico y
recubrimientos de superficies.
Acero
s a
lead
os
Níq
uel
Manganeso
Aumenta la resistencia de los aceros, aumenta la templabilidad proporciona una gran resistencia a la corrosión. Usados en utensilios que necesiten gran inoxibilidad: cuberterías, material quirúrgico, recipientes de cocina, recubrimientos de superficie, embellecedores, etc. Aceros cromo-níquel.
Se utiliza fundamentalmente como desoxidante y desulfurante de los aceros.
Acero
s a
lead
os
Azu
freC
obalto
Se encuentra en los aceros como impureza, se toleran porcentajes hasta un 0.05 %, en caliente produce una gran fragilidad del acero, dando lugar a aceros llamados de fácil mecanización que tienen menor resistencia, pero pueden ser trabajados con velocidades de corte doble que un acero corriente.
Se usa en los aceros rápidos para herramientas, aumenta la dureza de la herramienta en caliente. Aumenta las propiedades magnéticas de los aceros.
Acero
s a
lead
os
Plo
mo
Silicio
El plomo no se combina con el acero, se encuentra en el, en forma de pequeñísimos glóbulos, como si estuviese emulsionado, lo que favorece la mecanización por arranque de viruta, (torneado, cepillado, taladrado, etc.).
Se emplea como desoxidante en la obtención de los aceros, les proporciona elasticidad. Tienen buenas características magnéticas.
Acero
s a
lead
os
Tungste
no
Vanadio
Forma con el hierro carburos muy complejos estables y durísimos, soportando bien altas temperaturas. Es posible triplicar la velocidad de corte de los aceros al carbono para herramientas.
Proporcionan al acero una buena resistencia a la fatiga, tracción y poder cortante en los aceros para herramientas.
Acero
s a
lead
os
Molib
deno
Junto con el carbono es el elemento mas eficaz para endurecer el acero. Evita la fragilidad.
Acero
s a
lead
os
Refra
ctario
sD
e h
erra
mie
nta
s o co
rte
rápid
o
Además de cromo y níquel llevan titanio, manganeso, molibdeno y wolframio.
Duros, resistentes al desgaste e inoxidables a altas temperaturas.
Componentes de misiles, álabes de turbinas y válvulas de motores.
Llevan wolframio, cromo, vanadio y molibdeno.
Duros y resistentes a altas temperaturas.
Herramientas para tornear, taladrar, aserrar, etc.
Fundiciones
Las características de una fundición no solo dependen de su composición química, sino también del proceso de elaboración.
Fundiciones ordinarias
Fundiciones negras: son aquellas que presentan facetas negras brillantes, muy desarrolladas, formadas por cristales de grafito, su grano grueso.
Fundiciones grises: tienen un aspecto color gris brillante con grano fino. Estas fundiciones contienen el carbono en estado grafitico repartido en finas laminas por entre la masa de hierro. La fundición gris se emplea para la mayoría de las piezas mecánicas que han de servir de soporte o de alojamiento de los mecanismos.
Fundiciones ordinarias
Fundiciones blancas: el carbono esta completamente combinado con el hierro, formando carburo de hierro (cementita) que es un constituyente muy duro, pero frágil.
Fundiciones atruchadas: son intermedias entre la blanca y la gris, poseen propiedades intermedias entre ambas fundiciones y su fractura presenta ambos colores característicos.
Fundiciones especiales
Fundición maleable: Es la obtenida a partir de una fundición blanca mediante el adecuado tratamiento térmico, adquiriendo una aceptable maleabilidad.
Fundiciones nodulares: En estas fundiciones el grafito solidifica en forma de pequeñas esferas, gracias a la adición de elementos tales como el cerio y el magnesio, con lo cual aumenta considerablemente su resistencia a la tracción.
Mecanizado del Acero
Mecan
izad
o d
el a
cero
Ace
ro la
min
ado
Ace
ro fo
rjado
El acero que se utiliza para la construcción de estructuras metálicas y obras públicas, se obtiene a través de la laminación de acero en una serie de perfiles normalizados de acuerdo a las Normas Técnicas de Edificación.
La forja es el proceso que modifica la forma de los metales por deformación plástica cuando se somete al acero a una presión o a una serie continuada de impactos. La forja generalmente se realiza a altas temperaturas porque así se mejora la calidad metalúrgica y las propiedades mecánicas del acero.
Mecan
izad
o d
el a
cero
Ace
ro co
rrugado
Esta
mpado d
el a
cero
El acero corrugado es una clase de acero laminado usado especialmente en construcción, para armar hormigón armado, y cimentaciones de obra civil y pública, se trata de barras de acero que presentan resaltos o corrugas que mejoran la adherencia con el hormigón está dotado de una gran ductilidad, la cual permite que a la hora de cortar y doblar no sufra daños, y tiene una gran soldabilidad, todo ello para que estas operaciones resulten más seguras y con un menor gasto energético.
La estampación del acero consiste en un proceso de mecanizado sin arranque de viruta donde a la plancha de acero se la somete por medio de prensas adecuadas a procesos de embutición y estampación para la consecución de determinadas piezas metálicas.
Mecan
izad
o d
el a
cero
Troquela
ción d
el a
cero
Meca
niza
do b
lando
La troquelación del acero consiste en un proceso de mecanizado sin arranque de viruta donde se perforan todo tipo de agujeros en la plancha de acero por medio de prensas de impactos donde tienen colocados sus respectivos troqueles y matrices.
Las piezas de acero permiten mecanizarse en procesos de arranque de virutas en máquinas-herramientas (taladro, torno, fresadora, centros de mecanizado CNC, etc.) luego endurecerlas por tratamiento térmico y terminar los mecanizados por procedimientos abrasivos en los diferentes tipos de rectificadoras que existen.
Mecan
izad
o d
el a
cero
Rectifica
do
Meca
niza
do d
uro
El proceso de rectificado permite obtener muy buenas calidades de acabado superficial y medidas con tolerancias muy estrechas, que son muy beneficiosas para la construcción de maquinaria y equipos de calidad.
En ocasiones especiales, el tratamiento térmico del acero puede llevarse a cabo antes del mecanizado en procesos de arranque de virutas, dependiendo del tipo de acero y los requerimientos que deben ser observados para determinada pieza.
Mecan
izad
o d
el a
cero
Por d
esca
rga e
léctrica
Tala
dra
do p
rofu
ndo
En algunos procesos de fabricación que se basan en la descarga eléctrica con el uso de electrodos, la dureza del acero no hace una diferencia notable.
En muchas situaciones, la dureza del acero es determinante para un resultado exitoso, como por ejemplo en el taladro profundo al procurar que un agujero mantenga su posición referente al eje de rotación de la broca de carburo.
Mecan
izad
o d
el a
cero
Dobla
do
El doblado del acero que ha sido tratado térmicamente no es muy recomendable pues el proceso de doblado en frío del material endurecido es más difícil y el material muy probablemente se haya tornado demasiado quebradizo para ser doblado; el proceso de doblado empleando antorchas u otros métodos para aplicar calor tampoco es recomendable puesto que al volver a aplicar calor al metal duro, la integridad de este cambia y puede ser comprometida.
Designación de los Aceros
Con el fin de estandarizar la composición de los diferentes tipos de aceros que hay en el mercado la Society of Automotive Engineers (SAE) y el American Iron and Steel Institute (AISI) han establecido métodos para identificar los diferentes tipos de acero que se fabrican.
Primer digito: indica el elemento predominante de aleación
1= carbono 2= níquel3= níquel-cromo4= molibdeno5= cromo6= cromo7= vanadio8= triple aleación9= silicio-magnesio.
El segundo digito: indica el porcentaje aproximado en peso (%) del elemento de aleación señalado en el primer digito.
Los dígitos 3 y 4: indican el contenido promedio de carbono en centésimas.
Cuando en las clasificaciones se tiene una letra al principio esta indica el proceso que se utilizo para elaborar el acero.
A= Acero básico de hogar abiertoB= Acero acido de Bessemer al carbonoC= Acero básico de convertidos de oxigenoD= Acero acido al carbono de hogar abiertoE= Acero de horno eléctrico
Aplicaciones en Aeronáutica
Fly-by-wire Actualmente el sistema tradicional de control de
movimiento de las superficies flexibles por medio de cables de acero inoxidable acoplados a mecanismos hidráulicos se está sustituyendo por el sistema fly-by-wire, que utiliza un mando eléctrico asistido por computadora para accionarlas.
Denominaciones
Grupos de aceros especializados para fabricación de barcos y aviones:
1. HY 802. HY 1003. HY 1804. MIL-S-125605. MIL-S-162166. MIL-S-46100
El número que acompaña al HY significa la resistencia última a la fluencia multiplicada por mil, dada en psi.
Lockheed/General Dynamics
Aceros de alta dureza usados para blindaje
Impacto a la aviación general
¿Cual es la mejor aleación y tratamiento, para la construcción de aviones?
¿Cuales son las consecuencia de una mala planeación en la elección del material y su tratamiento?
Piper
Se detectan fallas en láminas de acero en los nuevos modelos 2004
En los nuevos aviones Piper, se ha descubierto que algunas láminas de acero utilizadas para la fabricación de partes críticas de la estructura del avión, el acero utilizado no posee el requisito de fuerza apropiado
Se da origen a Boletín de Servicio SB1151
Este Boletín aplica a los aviones producidos desde el 9 de febrero de
2004 por Piper Aircraft, Inc.
Materiales aeronáuticos
Historia La madera y la tela fueron los primeros
materiales utilizados La madera como material compuesto:
1. Abeto 1. E=9000Mpa 2. Resistencia a la tracción: 70Mpa 3. Densidad: 400kg/m3
2. Abedul 1. E=14250Mpa 2. Resistencia a la tracción 100Mpa 3. Densidad: 630kg/m3
Pero…
Sufre de ataques biológicos Sufre variación de tamaño por varios
factores
Fue utilizada hasta la segunda guerra mundial en forma de laminados
El acero en la aviación Buena resistencia Muy alta densidad Graves problemas de corrosión
Fokker, primera compañía en implementar el acero a sus aviones.
… En resumen: 1. OK: Resistencia
2. OK: Su densidad es 3 veces la densidad de las aleaciones de aluminio, y hasta 10 veces la de la madera.
3. Hay que evitar que en su uso entre en contacto con aleaciones de aluminio:
1. Corrosión galvánica en contacto con otras aleaciones (ésta también se da entre aleaciones de aluminio, pero es menor, por ser su potencial de oxidación más semejante).
2. Al ser más rígido que el aluminio, se cargará más que este, haciendo que no trabaje como debiera.
› 4. Aún es esencial para la fabricación de algunos componentes, como pueden ser el tren de aterrizaje, herrajes, bancadas de motor...
› 5. Su coste es inferior al de otro tipo de aleaciones. Es tres veces más pesado que el aluminio, pero también tres veces más resistente.
…Ingreso del aluminio
A PARTIR DE LA PRIMERA GUERRA MUNDIAL SE DESARROLLARON SUS ALEACIONES:
1. Adecuada resistencia 2. Baja densidad 3. Conocimiento de sus técnicas de fabricación
(fácilmente forjable, fácil de trabajar y reparar, se conoce muy bien su funcionamiento...)
…Sin embargo
1. Envejecimiento: con el tiempo sus propiedades mecánicas se alteran
2. Pequeñas muescas, cortes o arañazos pueden causar graves perjuicios a una pieza
3. Uso limitado por temperatura
En 1909 se descubre que la aleación de Al con un determinado % de Cu y de Mg se puede trabajar de una forma muy sencilla, tras un calentamiento hasta unos 480ºC y su rápido enfriamiento. Durante unas horas se podía doblar y conformar fácilmente, después, recuperaba sus propiedades mecánicas.
Actualmente
› Pueden distinguirse actualmente tres grupos de Aluminios, los más conocidos en aeronáutica son la serie dos mil y la siete mil 1. Aleaciones Al-Cu (duraluminio, serie
2XXX). Suele emplearse en las zonas del aparato que trabajan a tracción (como el recubrimiento del intradós del ala)
2. Al-Cu-Ni 3. Al-Zn (serie 7XXX)
Catalogo
Conclusiones
El desarrollo de los aceros en la industria aeronáutica y aeroespacial se
ha incrementado dependiendo directamente de la demanda de
aplicaciones especiales, en este caso los aceros de la familia HY han contribuido enormemente en la industria militar y de transporte.
La conformación de aleaciones especiales tiene como principio la adición de elementos mediante el
proceso de fundición, que mejoran las propiedades de presentación e
incrementan el número de posibles aplicaciones de los aceros.
Las aleaciones con acero, presentan una excelente resistencia mecánica,
muy buena tenacidad y especialmente un grado de resistencia a la corrosión
muy alta, lo que hace que estos aceros sean aplicados en la industria civil y
militar, específicamente en el transporte aéreo.
Como estos aceros después de ser fundidos y antes de ser comercializados reciben un tratamiento térmico de temple y revenido, incrementan sus propiedades, dando como resultado final un producto con mayor tenacidad y dureza superficial.
Debido a que estos aceros especiales se comportan muy bien en la mayoría de los procesos de maquinado y de unión,
son aptos para muchas aplicaciones diferentes a las de transporte, como la
elaboración de recipientes de alta presión, submarinos, industria química
y nuclear y en general donde se requiera aplicaciones de alta resistencia
mecánica y ambiental.
Gracias
Beatriz Domínguez CalvaLucía del Sol López RuedaHaniel Fierros GómezLuis Eduardo Martínez Hdez.