DISEÑO DE ELEMENTOS DE MÁQUINAS I

EL ACERO Y SUS PROPIEDADES

DEFINICION DEL ACERO
El acero es una aleación de hierro con pequeñas cantidades de otros elementos, es decir, hierro combinado con un 1% aproximadamente de carbono, y que hecho ascua y sumergido en agua fría adquiere por el temple gran dureza y elasticidad. Hay aceros especiales que contienen además, en pequeñísima proporción, cromo, níquel, titanio, volframio o vanadio.

Se caracteriza por su gran resistencia, contrariamente a lo que ocurre con el hierro. Este resiste muy poco a la deformación plástica, por estar constituida solo con cristales de ferrita; cuando se alea con carbono, se forman estructuras cristalinas diferentes, que permiten un gran incremento de su resistencia. Ésta cualidad del acero y la abundancia de hierro le colocan en un lugar preeminente, constituyendo el material básico del S.XX. Un 92% de todo el acero es simple acero al carbono; el resto es acero aleado: aleaciones de hierro con carbono y otros elementos tales como magnesio, níquel, cromo, molibdeno y vanadio.

PROPIEDADES DE LOS MATERIALES

Cizallamiento: En ausencia de información se puede considerar las resistencias de cizallamiento como sigue:
               
Material          (Ec. 1.1)

ALUMINIO                                0.60
ACERO                                     0.75
COBRE                                     0.90
FUNDICIÓN MALEABLE          0.90
FUNDICION DE HIERRO         1.30

Ductilidad: Es la capacidad para absorber sobrecargas.  La Ductibilidad se mide por el porcentaje de alargamiento que sufre el material antes de romperse.
La línea divisora normal entre Ductibilidad y fragilidad es el alargamiento, si un material tiene menos del 5% de alargamiento es frágil, mientras que otro que tenga más es dúctil.  Si un material es dúctil tiene la capacidad de poderse trabajar en frío (operaciones tales como: plegado, estirado, embutido, rebordeado)

Maleabilidad: Término que frecuentemente se intercambia con ductilidad.  La maleabilidad es la propiedad o cualidad de ser comprimido o aplanado.

Resiliencia: Capacidad para absorber energía en la zona elástica se mide por el módulo de resiliencia que es la energía de deformación que puede absorber por unidad de volumen el material.
                           (Ec. 1.2)
Tenacidad: Capacidad para absorber energía en la zona plástica.  El módulo de tenacidad se obtiene integrando el diagrama tensión deformación hasta la fractura.

Un método relativamente sencillo de valorar la tenacidad, consiste en calcular el número índice de tenacidad, que se obtiene multiplicando el límite de rotura por la deformación en la rotura.
                           ( Ec. 1.3)
Otro método consiste en multiplicar la deformación en la rotura por la media del límite de rotura y del límite de fluencia.
                  (Ec. 1.4)
Dureza: La dureza es importante cuando se proyecta una pieza que deba resistir el desgaste, la erosión o la deformación plástica.  Los sistemas de medida de mayor uso son: Brinell, Rockwell, Vickers y la Shore.

DENOMINACIÓN DE ACEROS

La SAE “Society of Automotive Engineers”, fue la primera que reconoció la necesidad y adoptó un sistema para clasificar los aceros. 
Después AISI (American Iron and Steel Institute) adoptó un sistema similar. Los números de especificación para el acero son iguales en SAE y AISI únicamente la diferencia radica en que AISI utiliza los prefijos B, C, D y E para indicar el método de obtención del acero.

B  :     Acero Bessemer Ácido al Carbono
C  :     Acero Martin – Siemens Básico al Carbono
D  :     Acero Martin – Siemens Ácido al Carbono
E   :    Acero de Horno Eléctrico

Existen letras que se encuentran entre números, las letras B y L indican que se ha añadido Boro o Plomo respectivamente (como 94B40, 11L41).   Una letra h al final indica que el material puede ser adquirido con una templabilidad especificada.

Estos aceros de Baja Aleación son ocupados para confeccionar elementos y órganos de máquinas, motores, etc., de gran resistencia.

Para trabajar con los aceros de baja aleación, existe una clasificación de la sociedad de Ingenieros Automotrices SAE y es de gran utilidad para tener un análisis aproximado al acero.

Esta clasificación consta de 4 números, que nos indica el tipo de acero.

1. Primer número: Este número indica el (los) elementos (s) principal (es) de la aleación de acuerdo a lo siguiente:

1. Acero al Carbono
2. Acero al Níquel
3. Acero al Níquel – Cromo
4. Acero al Molibdeno – Cromo
5. Acero al Cromo
6. Acero Cromo Vanadio
7. Acero al Tungsteno
8. Acero Cromo Níquel Molibdeno
9. Acero Silicio Manganeso

1. Segundo número: Indica el porcentaje aproximado de él o los elementos predominantes de la aleación.

1. Tercer y Cuarto número: Juntos indican la cantidad aproximada de carbono en el acero.

Ejemplos:
SAE 1020 Acero al Carbono        :         0.20%C
SAE 1045 Acero al Carbono        :         0.45%C
SAE 2315 Acero al Níquel           :         3%Ni, 0.15%C
SAE 2340 Acero al Níquel            :        3%Ni, 0.40%C
SAE 3240 Acero Níquel Cromo   :         1.75%Ni, 1.0%Cr, 0.40%C
SAE 4140 Acero al Mo – Cr        :         1%Cr, 0.20%Mo, 0.40%C
SAE 4340 Acero al Mo – Cr        :         1.85%Ni, 0.80%Cr, 0.25%Mo, 0.40%C

ACEROS ALEADOS.

Implicancia de los componentes en los aceros aleados.

Cromo: Formación de carburos de cromo que son duros, afina también el tamaño del grano aumentando la tenacidad y dureza.

Níquel: El níquel al igual que el Cr origina que se desplace el punto eutectoide hacia la izquierda y aumenta la zona crítica de temperatura.  El níquel Ni es soluble en la ferrita y no forma carburos ni óxidos, esto incrementa la resistencia sin disminuir la ductilidad.  Los aceros al Ni cementados tienen un núcleo más resistente que la de un acero al carbono ordinario.

Manganeso: Se halla en todos los aceros como agente desoxidante y desulfurante pero si es superior al 1% se clasifica como una aleación de manganeso.  Forma carburos y aumenta el tiempo necesario de la transformación haciendo posible el temple en aceite.

Silicio: Se añade como agente desoxidante.  Cuando se añade en aceros de bajo porcentaje de carbono, produce un material frágil, con alta permeabilidad magnética y baja pérdida por histéresis.  Se emplea con otros elementos como el Mn, Cr y V, para estabilizar sus carburos.

Molibdeno: Forma carburos y se disuelve en la ferrita dando al acero propiedades de dureza y tenacidad.  Es el material más efectivo para hacer temples al aire y en aceite.  Contribuye a afinar el grano.

Vanadio: Tiene tendencia muy fuerte a formar carburos, agente fuertemente desoxidante y afina el grano.  Es muy difícil ablandar los aceros al vanadio por revenido, por ello se emplea en aceros para herramientas.

Tungsteno: El tungsteno produce una estructura fina y densa, dando tenacidad y dureza.  Su efecto es similar al del Molibdeno.

DIAGRAMA HIERRO –C ARBONO

Transformación Austenita – Ferrita

1. Es La transformación más importante en los aceros, que es la base para casi todos los tratamientos térmicos del acero.
2. Ocurre esencialmente en hierro puro a T = 1670°F.  Si aumenta el contenido de carbono, la transformación ocurre sobre un rango de temperatura.  La temperatura superior de este rango varía de 1670°F a 1335°F, a medida que aumenta el carbono.  Por ejemplo, con C = 0.10%, la temperatura superior (a la cual comienza la transformación) es de 1600°F, mientras que para un acero con C = 0.50%, esta temperatura es de sólo 1430°F.

El rango de temperatura inferior permanece constante a 1335°F, para todos los aceros.  La Austenita puede disolver hasta 2.0% de C en solución sólida.  En todo caso, la Ferrita puede disolver un máximo de sólo 0.025% de C.  Debajo de la temperatura inferior, la Austenita se transforma a Ferrita. Lo anterior puede ilustrarse en el conocido diagrama Hierro – Carbono.

DIAGRAMA TTT (TRANSFORMACIONES ISOTERMICAS)

El diagrama Fe-C sólo nos provee información respecto a las estructuras que se forman bajo condiciones de equilibrio.  Es por ello que no nos dice nada respecto de la transformación de la Austenita a alguna de las estructuras bajo condiciones de no equilibrio (Velocidades de calentamiento y enfriamiento rápidas), como ser Austenita a vainita, Austenita a martensita, etc.  Tan importante es, a la vez, conocer a qué velocidades de enfriamiento y temperaturas se producirán dichas transformaciones.

El diagrama TTT es un gráfico, en ele cual se muestra a que velocidades, tiempo y temperatura se transforma la Austenita en perlita, vainita, martensita.  La figura describe un diagrama TTT para un acero al carbono de C = 0.8% (Existe un diagrama TTT para cada tipo de acero)

Hemos también mencionado el diagrama TTT como diagrama de transformación isotérmicas.    Ello se debe a que las transformaciones a que se refiere este gráfico, se producen al mantener la temperatura constantemente durante tiempos específicos.

Es así como, para el caso de un acero al carbono con C = 0.8% lo sometemos primeramente a una temperatura de 1340°F (727°C) y lo mantenemos   a dicha temperatura.