TEMA 8:Los Aceros

1. ¿Qué es el acero? Microconstituyentes, estructuras cristalinas.
2. Características físicas de los aceros.
3. Diagrama hierro carbono 
4.  Clasificación de los aceros en función del porcentaje de carbono.
5. Relación entre características físicas y tamaño de grano.- Otros productos siderurgicos y sus características.
6. Aleantes y características que aportan al acero.
7. Tratamientos térmicos. Explicar en base a diagrama Fe-C y desarrollar sus diagramas TTT.

1.¿Qué es el acero? Microconstituyentes y estructuras cristalinas:

-El término acero sirve comúnmente para denominar, en ingeniería metalúrgica, a una aleación de hierro con una  cantidad de carbono variable entre el 0,03% y el 1,075% en peso de su composición, dependiendo del grado. Si  la aleación posee una concentración de carbono mayor al 2,0% se producen fundiciones que, en oposición al  

 acero, son mucho más frágiles y no es posible forjarlas sino que deben ser moldeadas.

-Microcontituyentes:

El hierro puro presenta tres estados  a medida que se incrementa la temperatura desde la temperatura ambiente:

• Hasta los 911 °C, el hierro ordinario, cristaliza en el sistema cúbico centrado en el cuerpo (BCC) y recibe la denominación de hierro α o ferrita. Es un material dúctil y maleable responsable de la buena forjabilidad de las aleaciones con bajo contenido en carbono y es  hasta los 768 °C (temperatura de Curie a la que pierde dicha cualidad). La ferrita puede disolver muy pequeñas cantidades de carbono.
• Entre 911 y 1400 °C cristaliza en el sistema cúbico centrado en las caras (FCC) y recibe la denominación de hierro γ o austenita. Dada su mayor compacidad la austenita se deforma con mayor facilidad y es paramagnética.
• Entre 1400 y 1538 °C cristaliza de nuevo en el sistema cúbico centrado en el cuerpo y recibe la denominación de hierro que es en esencia el mismo hierro alfa pero con parámetro de red mayor por efecto de la temperatura.

A mayor temperatura el hierro se encuentra en estado líquido.

Si se añade carbono al hierro, sus átomos podrían situarse simplemente en los intersticios de la red cristalina de éste último; sin embargo en los aceros aparece combinado formando carburo de hierro (Fe₃C), es decir, un compuesto químico definido y que recibe la denominación de cementita de modo que los aceros al carbono están constituidos realmente por ferrita y cementita.

-Estructura cristalina:

La estructura cristalina es la forma sólida de cómo se ordenan y empaquetan los átomos, moléculas, o iones. Estos son empaquetados de manera ordenada y con patrones de repetición que se extienden en las tres dimensiones del espacio. La cristalografía es el estudio científico de los cristales y su formación.

El estado cristalino de la materia es el de mayor orden, es decir, donde las correlaciones internas son mayores. Esto se refleja en sus propiedades antrópicas y discontinuas.

2.Características físicas de los aceros.

Aunque es difícil establecer las propiedades físicas y mecánicas del acero debido a que estas varían con los ajustes en su composición y los diversos tratamientos térmicos, químicos o mecánicos, con los que pueden conseguirse aceros con combinaciones de características adecuadas para infinidad de aplicaciones, se pueden citar algunas propiedades genéricas:

• Su densidad media es de 7850 kg/m³.

• En función de la temperatura el acero se puede contraer, dilatar o fundir.

• El punto de fusión del acero depende del tipo de aleación y los porcentajes de elementos aleantes. El de su componente principal, el hierro es de alrededor de 1.510 °C en estado puro (sin alear), sin embargo el acero presenta frecuentemente temperaturas de fusión de alrededor de 1.375 °C, y en general la temperatura necesaria para la fusión aumenta a medida que se aumenta el porcentaje de carbono y de otros aleantes. (excepto las aleaciones eutécticas que funden de golpe). Por otra parte el acero rápido funde a 1.650 °C.

• Su punto de ebullición es de alrededor de 3.000 °C.

• Es un material muy tenaz, especialmente en alguna de las aleaciones usadas para fabricar herramientas.

• Relativamente dúctil. Con él se obtienen hilos delgados llamados alambres.

• Es maleable. Se pueden obtener láminas delgadas llamadas hojalata. La hojalata es una lámina de acero, de entre 0,5 y 0,12 mm de espesor, recubierta, generalmente de forma electrolítica, por estaño.

• Permite una buena mecanización en máquinas herramientas antes de recibir un tratamiento térmico.

• Algunas composiciones y formas del acero mantienen mayor memoria, y se deforman al sobrepasar su límite elástico.

• La dureza de los aceros varía entre la del hierro y la que se puede lograr mediante su aleación u otros procedimientos térmicos o químicos entre los cuales quizá el más conocido sea el templado del acero, aplicable a aceros con alto contenido en carbono, que permite, cuando es superficial, conservar un núcleo tenaz en la pieza que evite fracturas frágiles. Aceros típicos con un alto grado de dureza superficial son los que se emplean en las herramientas de mecanizado, denominados aceros rápidos que contienen cantidades significativas de cromo, wolframio, molibdeno y vanadio. Los ensayos tecnológicos para medir la dureza son Brinell, Vickers y Rockwell, entre otros.

• Se puede soldar con facilidad.

• La corrosión es la mayor desventaja de los aceros ya que el hierro se oxida con suma facilidad incrementando su volumen y provocando grietas superficiales que posibilitan el progreso de la oxidación hasta que se consume la pieza por completo. Tradicionalmente los aceros se han venido protegiendo mediante tratamientos superficiales diversos. Si bien existen aleaciones con resistencia a la corrosión mejorada como los aceros de construcción «corten» aptos para intemperie (en ciertos ambientes) o los aceros inoxidables.

• Posee una alta conductividad eléctrica. Aunque depende de su composición es aproximadamente de 3 · 10⁶ S/m. En las líneas aéreas de alta tensión se utilizan con frecuencia conductores de aluminio con alma de acero proporcionando éste último la resistencia mecánica necesaria para incrementar los vanos entre la torres y optimizar el coste de la instalación.

• Se utiliza para la fabricación de imanes permanentes artificiales, ya que una pieza de acero imantada no pierde su imantación si no se la calienta hasta cierta temperatura. La magnetización artificial se hace por contacto, inducción o mediante procedimientos eléctricos. En lo que respecta al acero inoxidable, al acero inoxidable ferrítico sí se le pega el imán, pero al acero inoxidable austenítico no se le pega el imán ya que la fase del hierro conocida como austenita no es atraída por los imanes. Los aceros inoxidables contienen principalmente níquel y cromo en porcentajes del orden del 10% además de algunos aleantes en menor proporción.

• Un aumento de la temperatura en un elemento de acero provoca un aumento en la longitud del mismo. Este aumento en la longitud puede valorarse por la expresión: δL = α δ t° L, siendo a el coeficiente de dilatación, que para el acero vale aproximadamente 1,2 · 10⁻⁵ (es decir α = 0,000012). Si existe libertad de dilatación no se plantean grandes problemas subsidiarios, pero si esta dilatación está impedida en mayor o menor grado por el resto de los componentes de la estructura, aparecen esfuerzos complementarios que hay que tener en cuenta. El acero se dilata y se contrae según un coeficiente de dilatación similar al coeficiente de dilatación del hormigón, por lo que resulta muy útil su uso simultáneo en la construcción, formando un material compuesto que se denomina hormigón armado. El acero da una falsa sensación de seguridad al ser incombustible, pero sus propiedades mecánicas fundamentales se ven gravemente afectadas por las altas temperaturas que pueden alcanzar los perfiles en el transcurso de un incendio.

3.Diagrama hierro carbono:

En el diagrama de equilibrio o de fases, Fe-C se representan las transformaciones que sufren los aceros al carbono con la temperatura, admitiendo que el calentamiento (o enfriamiento) de la mezcla se realiza muy lentamente de modo que los procesos de difusión (homogeneización) tienen tiempo para completarse. Dicho diagrama se obtiene experimentalmente identificando los puntos críticos —temperaturas a las que se producen las sucesivas transformaciones— por métodos diversos.

4. Clasificación de los aceros en función del porcentaje de carbono:

Los aceros se pueden clasificar en función de varios criterios, esto da lugar a varias clasificaciones, la más utilizada de todas ellas es la clasificación en función del porcentaje de carbono disuelto:

El porcentaje de carbono disuelto en el acero condiciona las propiedades del mismo. Así cuanto mayor sea el porcentaje de carbono disuelto en el acero, éste presenta más dureza y más resistencia a la tracción. Teniendo esto presente es posible clasificar los aceros en:

Nombre del acero	% de carbono	Resistencia a tracción (kg/mm2)
Extrasuave	0,1 a 0,2	35
Suave	0,2 a 0,3	45
Semisuave	0,3 a 0,4	55
Semiduro	0,4 a 0,5	65
Duro	0,5 a 0,6	75
Extraduro	0,6 a 0,7	85

5.Relación entre características físicas y tamaño de grano.- Otros productos siderurgicos y sus características.

Una disminución del tamaño de grano significa aumentar el índice de endurecimiento medido bien a partir de indicadores de resistencia o bien a través de indicadores de plasticidad. Un tamaño de grano más fino hace comportarse a una aleación como un material con mayor potencial de endurecimiento, disminuyendo su plasticidad.

Otros productos siderurgicos y sus características:

por ejemplo las fundiciones.

Fundiciones: La concentración de carbono oscila entre el 1,76% y el 6,67%. Contienen mas carbono del necesario para saturar la austenita a temperatura eutéctica. Como el alto contenido de carbono tiene a hacer muy frágil al hierro fundido, la mayoría del material fabricado contiene entre 2,5 y 4% de C.La ductilidad del hierro fundido es baja, lo que hace que no siempre pueda trabajarse ni en frío ni en caliente. sin embargo, es relativamente sencillo de fundir y colar sobre moldes de formas complejas.Aunque son frágiles y sus propiedades mecánicas son inferiores a las de los aceros, su costo bajo, su fácil colado y sus propiedades especificas los hacen uno de los productos de mayor tonelaje de producción en el mundo.

6.Aleantes y características que aportan al acero.

La primera clasificación para los aceros es: aceros al carbono o no aleados y aceros aleados.
El acero es una aleación hierro-carbono cuyo contenido en carbono no supera el límite de solubilidad de este elemento en la austenita, y además no contiene elementos de aleación en proporciones superiores a las establecidas en las normas UNE.

Influencia de la composición química

• Silicio: El silicio es empleado como desoxidante. Tiene un efecto doble, por un lado como agente efervescente y por otro se puede combinar con el oxígeno disuelto en el acero para disminuir las malas propiedades que este elemento pueda dar al acero (Si + O2 -> SiO2 (sílice)). El contenido en silicio no conviene que sea mayor del 0,2% en aceros que se van a soldar, debido a que el sílice tiene un punto de fusión muy alto. Sin embargo el silicio puede ser de hasta 0,3% en aceros obtenidos por moldeo, ya que le da al acero fundido fluidez. En aceros con alto contenido en carbono, el contenido de silicio deber ser bajo, ya que favorece la descomposición de la cementita y la transforma en grafito. (Fe3C -> 3Fe+C)

• Azufre: Junto con el fósforo, el azufre es el elemento más problemático, ya que prácticamente es insoluble en el hierro y se presenta fundamentalmente en forma de sulfuro de hierro (FeS). El eutéctico que se forma es: L->Fe (0,01% S) + FeS a 988ºC. Este eutéctico se forma fundamentalmente en los límites de grano del acero. Al ser la temperatura tan baja, en procesos de laminación o forja se funde el eutéctico, volviéndose más frágil el acero en los límites de grano, propiedad conocida como fragilidad en caliente. Para evitarlo se utiliza manganeso, favoreciendo la formación de MnS en lugar de FeS.

• Manganeso: El manganeso también es un elemento desoxidante, además de utilizarse como desulfurante como ya hemos dicho. Pero para la formación de MnS, ha de utilizarse el proceso básico en los hornos. El manganeso que no se combina con el azufre, favorece la maquinabilidad del acero.

• Fósforo: Normalmente, el fósforo se disuelve en la ferrita hasta un 1%, pero por encima de este valor, aparece en forma de Fe3P. El fósforo aumenta la fragilidad de los aceros, y al igual que el azufre, tiene una gran tendencia a la segregación, produciendo el fenómeno de la segregación complementaria del acero (zonas de distinta concentración). En las zonas donde el contenido de carbono es mayor, hay más perlita y menos ferrita. Por el contrario, en las zonas con menor contenido en carbono, el porcentaje de perlita es menor y el de ferrita mayor. Esto provoca la aparición de bandas alternas de ferrita y cementita, conocidas como bandas fantasmas. El contenido de fósforo en el acero no debería ser superior a 0,05%.

• Niquel: Disminuye las temperaturas críticas del acero y aumenta la templabilidad del acero. No tiende a formar carburos. Se pueden obtener aceros resistentes con menos contenido en carbono, incrementándose la tenacidad y la resistencia a la fatiga. Aumenta la ductilidad y la resistencia a la corrosión. Es un elemento caro.

• Cromo: Aumenta la resistencia a la corrosión y al disolverse en la austenita, aumenta también la templabilidad. En los aceros con un alto contenido en carbono, aumenta la resistencia a la abrasión y al desgaste. Es menos caro que el niquel.

• Molibdeno: Es un fuerte formador de carburos y aumenta fuertemente la templabilidad de los aceros. Mejora la resistencia mecánica de los aceros a altas temperaturas y reduce la susceptibilidad a la fragilidad de revenido en aceros al cromo-niquel. Da dureza secundaria de revenido. Además aumenta la resistencia a la corrosión de los aceros inoxidables en presencia de disoluciones de cloruros.

• Cobalto: Es el único aleante que desplaza las curvas TTT del acero hacia la izquierda. Da dureza secundaria de revenido. Aumenta la resistencia a la formación de óxidos a altas temperaturas. La adición de 8 a 10% de cobalto a los aceros para herramientas, aumenta sus propiedades de corte.

• Cobre: La presencia de cobre permite que las aleaciones puedan ser endurecidas por precipitación, dando una gran resistencia a la tracción y un elevado límite elástico. Mejora la resistencia a la corrosión electroquímica de los aceros (weathering steels).

• Plomo: Permanece disperso en forma de pequeñas partículas esféricas insolubles en el acero. Aumenta la maquinabilidad de los aceros en pequeñas proporciones (0,25%).

• Boro: Aumenta de manera muy notable la templabilidad en los aceros calmados de medio contenido en carbono. El porcentaje de boro siempre es muy pequeño (entre 0,0005 y 0,005%).

7.Tratamientos térmicos. Explicar en base a diagrama Fe-C y desarrollar sus diagramas TTT.

Normalizado:Es un tratamiento térmico que se emplea para dar al acero una estructura y características tecnológicas que se consideran el estado natural o final del material que fue sometido a trabajos de forja, laminación o tratamientos defectuosos. Se hace como preparación de la pieza para el temple.

Revenido:Es un tratamiento complementario del temple, que regularmente sigue a éste. A la unión de los dos tratamientos también se le llama "bonificado". El tratamiento de revenido consiste en calentar al acero seguido del normalizado o templado, a una temperatura menor al punto crítico, seguido de un enfriamiento controlado que puede ser rápido cuando se deseen resultados elevados en tenacidad, o lento, para reducir al máximo las tensiones térmicas que puedan causar deformaciones.

Temple: En la ciencia de materiales, el templado o temple es un tratamiento térmico consistente en el rápido enfriamiento de la pieza para obtener determinadas propiedades de los materiales. Se evita que los procesos de baja temperatura, tales como transformaciones de fase, se produzcan al sólo proporcionar una estrecha ventana de tiempo en el que la reacción es a la vez favorable termodinámicamente y posible cinéticamente.

Recocido:Es un tratamiento térmico cuya finalidad es el ablandamiento, la recuperación de la estructura o la eliminación de tensiones internas generalmente en metales.

El recocido consiste en calentar el metal hasta una determinada temperatura para después dejar que se enfríe lentamente, habitualmente, apagando el horno y dejando el metal en su interior para que su temperatura disminuya de forma progresiva, para después de se formar. 

El proceso finaliza cuando el metal alcanza la temperatura ambiente. Mediante la combinación de varios trabajos en frío y varios recocidos se pueden llegar a obtener grandes deformaciones en metales que, de otra forma, no podríamos conseguir.