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• Carlos Ignacio Órdenes Escobar

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MATERIALES METÁLICOS • • • •

Aceros al Carbono y de baja aleación Tratamientos Térmicos Soldabilidad de aceros estructurales Aceros Inoxidables

1

OBTENCION DE HIERRO Y ACERO

2

OBTENCION DE PRODUCTOS DE ACERO

3

ESQUEMA DE ALEACIONES FERROSAS Aceros (C2.5%)

Inoxidables Gris (grafito) Blanca (carburo)

Alta Aleación

Corriente Nodular Maleable Corriente Tipo Ni-Hard Fund Blanca Alto Cr 4

Diagrama de Fases Fe-Fe3C

5

Microestructura (acero hipoeutectoide) %C < 0.8

ferrita

perlita

6

Microestructura (acero eutectoide) %C = 0,8

PERLITA

7

Microestructura (acero hipereutectoide) %C > 0,8

cementita

perlita

8

Propiedades función % C (aceros normalizados)

9

Propiedades f(%C) en aceros simples normalizados

10

Propiedades f(%C) - aceros con estructura distinta

11

Designaciones de aceros (y otros) • Cada material (producto) tiene un “nombre” • El nombre o designación lo da la organización responsable de la Normalización en cada país • En Chile es el INN (NCh) • Otros: ASTM, AWS, ASME, DIN, BS, JIS, AFNOR, etc. Todas son diferentes. • Para el caso de aceros, ha sido de uso tradicional las designaciones SAE/AISI. • A nivel de compatibilidad universal, se definió las designaciones UNS: unified numbering system. 12

Aceros de bajo Carbono Designación AISI/SAE ASTM

Composición(%peso) UNS

C

Mn

Otros

Aceros simples de bajo Carbono (Plain Low–Carbon Steels) 1010

G10100

0.10

0.45

1020

G10200

0.20

0.45

A36

K02600

0.29

1.00

0.2 Cu (min.)

A516 Grado 70

K02700

0.31

1.00

0.25 Si

Aceros de Alta Resistencia y Baja Aleación (High

Strength Low Alloy Steels)

A440

K12810

0.28

1.35

0.3 Si (máx.) 0.2Cu (min.)

A633 Grado E

K12002

0.22

1.35

0.3 Si 0.08 V 0.02 N 0.03 Nb

A656 Grado 1

K11804

0.18

1.60

0.6Si 0.1V 0.2 Al 0.015 13 N

Aceros bajo Carbono: Propiedades Mecánicas AISI/SAE ASTM

σmáx.

σf

[MPa]

[MPa]

Ductilidad % El en 2 [in]

Plain Low-Carbon Steels 1010

325

180

28

1020

380

205

25

A36

400

220

23

A516 Grade 70

485

260

21

High Strength, Low Alloy Steels A440

435

290

21

A 633 Grade E

520

380

23

A656 Grade 1

655

552

15

14

ACERO ESTRUCTURAL TÍPICO Composición química C: 0.18% Si: 0.39% Mn: 0.57% S: 0.008% P: 0.007%

Microestructura: ferrito-perlítica 15

Factores determinantes del esfuerzo de fluencia

φg (µm)

40

10

4

16

Composición química de aceros (SAE/AISI) No. UNS

C

Mn

P

S

Si

Cr

Mo

1020

G10200

0,18 0,23

0,30 – 0,60

0,040

0,050

1045

G10450

0,43 – 0,50

0,60 – 0,90

0,040

0,050

1345

G13450

0,43 – 0,48

1,60 – 1,90

0,035

0,040

0,15 – 0,30

4130

G41300

0,28 – 0,33

0,40 – 0,60

0,035

0,040

0,15 – 0,30

0,80 – 1,10

0,15 – 0,25

4140

G41400

0,38 – 0,43

0,75 – 1,00

0,035

0,040

0,15 – 0,30

0,80 – 1,10

0,15 – 0,25

4340

G43400

0,38 – 0,43

0,60 – 0,80

0,035

0,040

0,15 – 0,30

0,70 – 0,90

0,20 – 0,30

5160

G51600

0,56 – 0,64

0,75 – 1,00

0,035

0,040

0,15 – 0,30

0,70 – 0,90

Ni

1,65 – 2,00

Nota: dos valores indican un rango de composiciones; un valor denota un máximo tolerable por la Norma respectiva. Este último es el caso de P y S. 17

Composición química de productos (ASTM) ASTM

Uso

C

Mn

P

S

Si

A 36

Estructural, plancha/barra

0,25 0,29

0,85 – 1,20

0,04

0,05

0,40

A 500

Seamless tubing

0,23 – 0,30

1,35

0,035

0,035

A 516

Pressure vessel

0,18 – 0,31

0,60 – 1,30

0,035

0,035

0,15 – 0,40

A 588

Weathering HSLA

0,15 – 0,20

0,50 – 1,35

0,04

0,05

0,15 – 0,65

0,30 – 0,70

A 106

High-T seamless pipe

0,25 – 0,35

0,27 – 1,06

0,035

0,035

0,10

0,40

0,15

A 335

High-T seamless pipe

0,05 – 0,15

0,30 – 0,60

0,025

0,025

0,50

1,90 – 2,60

0,87 – 1,13

High-T seamless pipe

0,08 – 0,12

0,30 – 0,60

0,020

0,010

0,50

8,00 – 9,50

0,85 – 1,05

Gr. P22

A 335 Gr. P9

Cr

Mo

Ni

Otro 0,20% Cu 0,20% Cu

0,20 – 0,50 Cu 0,40

V; N; Ni; Al; Nb

18

Transformaciones de la Austenita

19

Dureza de la Martensita es f(%C)

MARTENSITA • Estructura-origen • Formación adifusional • Composición química • Temperaturas Ms-Mf • Fase Metaestable • Propiedades Mecánicas

20

La formación de la perlita requiere difusión y por ello ocurre en función de Temperatura y tiempo Ej. acero eutectoide, llevado a T= 675ºC, la transformación se inicia a los 20 s y se completa a los 500 s

21

Progreso de la transformación isotérmica de un acero eutectoide a 620ºC, mostrando diferentes grados de progreso (1 – 50 – 99%)

22

Diagrama de transformacion isotérmica (TTT) o (IT) Acero eutectoide 0.8% C

23

Diferentes trayectorias de enfriamiento rápido y mantención a la temperatura de interés. Trayectoria a) da lugar a 100% Bainita (B) Trayectoria b) da lugar a 100% Martensita (M) Trayectoria c) da lugar a 50% Perlita y 50% Bainita

24

Situación más realista: transformaciones bajo enfriamiento continuo. Esto da lugar a los diagramas de transformaciones bajo enfriamiento continuo, Diagramas CCT o CT.

25

Diagrama CCT para un acero AISI 1040

26

Diagrama CCT para un AISI 1541 (

27

Consecuencias de aplicar diferentes velocidades de enfriamiento sobre aceros con curvas CCT desplazadas: efecto de los elementos aleantes.

T A

B

Concepto de templabilidad

Ms

Templabilidad: facilidad con la que un acero es endurecido por temple (enfriamiento rápido)

1

2

3

t 28

Para un acero dado, las curvas con diferentes velocidades de enfriamiento dan lugar a los TT´s denominados: recocido

•Recocido (annealing) •Normalizado (normalizing) •Temple (Quench)

(Adicionalmente, a un acero templado debe dársele el TT de •Revenido (Temper)

temple

normalizado

) 29

Tamaño

Medio enfriador posición

VELOCIDAD DE ENFRIAMIENTO DE LA AUSTENITA

%Aleantes

TGA

%Carbon RESPUESTA TERMICA DEL ACERO (TEMPLABILIDAD)

MICRO-ESTRUCTURA (fases-cantidades-tamaños)

PROPIEDADES 30

Templabilidad : Ensayo Jominy

31

Ejemplos de Diagramas Jominy

32

Designación Aceros baja Aleación AISI /SAE

Rangos de Composición (%p) USN

Ni

Cr

Mo

13xx G13xx0 41xx G41xx0

Otros < 1.0 Mn

0.8-1.1

0.15-0.25

43xx G43xx0 1.65-2.0 0.4-0.9 0.20-0.30 51xx G51xx0

0.7-1.1

61xx G61xx0

0.5-1.1

0.1-0.15 V

86xx G86xx0 0.4-0.7 0.4-0.6 0.15-0.25 92xx G92xx0

1.8-2.2 Si 33

DUREZA DE TEMPLE EN BARRAS CILÍNDRICAS Temple en agua

SAE-1045

Temple en aceite

SAE-6140

34

Relaciones de velocidad de enfriamiento

a) Temple en agua

35

Relaciones de velocidad de enfriamiento

b) Temple en aceite

36

REVENIDO • Tratamiento post-temple, en el rango 200-400ºC

• Martensita se descompone gradualmente en las fases de equilibrio (ferrita+cementita) • Martensita pierde tetragonalidad, pierde dureza pero recupera tenacidad. • La evolución de propiedades depende de una combinación de variables Temperatura y tiempo. • Otras fases (ferrita, perlita) no sufren cambios importantes bajo condiciones de revenido • Calentamiento posterior, continúa el proceso de revenido y sus efectos, sólo si T≥Trev 37

Variación de microestructura y dureza en REVENIDO

38

Variación de propiedades por revenido

ACERO AISI-SAE 4340

39

Propiedades en condición templado y revenido Rango Propiedades Mecánicas AISI

UNS

σmáx.

σf

[Mpa]

[Mpa]

Ductilidad %El en 2 [in]

Plain Carbon Steels

1040

G10400

605-780

430-585

33-19

1080

G10800

800-1310

480-980

24-13

1095

G10950

760-1280

510-830

26-10

Alloy Steels

4063

G40630

786-2380

710-1770

24-4

4340

G43400

980-1960

895-1570

21-11

6150

G61500

815-2170

745-1860

22-7

40

Endurecimiento secundario
Aparece en revenido
Causada por precipitación fina de carburos aleados desde martensita
Aleantes: Tungsteno, Molibdeno y en menor medida, Cromo.
Produce combinación de alta dureza y alta tenacidad, vigentes hasta temperaturas sobre 500ºC
Aplicación en el campo de aceros de herramientas, (Ej. Herramientas HSS) 41

Aceros de Herramientas Composición (% peso) AISI

USN

C

W

Mo

Cr

V

W1

T72301 0.6-1.4

S1

T41901

0.5

2.5

1.5

O1

T31501

0.9

0.5

0.5

A2

T30102

1.0

1.0

D2

T30402

1.5

1.0 12.0 1.0

M1

T11301

0.85

Otros

1.0 Mn

5.0

1.5 8.5 4.0

1.0 42