03.06_2_Aleaciones_ferreas

INTRODUCCIN A LAS ALEACIONES FRREAS

MSTER ON LINE DE INGENIERA DE TUBERAS

S. RODRGUEZ DDERLE

Al finalizar este mdulo

Sers capaz de identificar los distintos grupos de materiales frreos utilizados en tuberas, as como:

Aplicaciones bsicas industriales Nombres comerciales y usos Criterios de seleccin y diseo


A modo de ndice El siguiente mdulo explicar la necesidad de aleaciones

frreas en sistemas usados en tuberas es aspectos claves como:

1. Aceros 1.1 Baja aleacin 1.2 Alta aleacin 2. Fundiciones 2.1 Fundicin gris 2.2 Fundicin dctil 2.3 Fundicin blanca 2.4 Fundicin maleable


Necesidad de aleaciones frreas Las aleaciones frreas tienen como componente principal el hierro y

son las que ms se producen y las que tienen mayor inters como material de construccin y aplicaciones para tuberas.

Este uso generalizado se debe a tres consideraciones bsicas: 1. Disponibilidad: en la corteza terrestre abundan los compuestos de

hierro, mezclados con otros elementos generalmente. 2. Costos: las aleaciones frreas se fabrican bajo procedimientos

industriales relativamente sencillos, seguros y econmicos 3. Usos: Las aleaciones frreas son extraordinariamente verstiles,

ya que se pueden adaptar para que tengan diferentes propiedades mecnicas y qumicas.

El principal inconveniente de las aleaciones frreas es la suceptibilidad

a la corrosin.


Clasificacin de las Aleaciones Frreas


Materiales Ferrticos

Aceros Fundiciones

Baja aleacin Alta aleacin

Bajo en carbono

Medio en carbono

Alto en carbono

Aceros inoxidables ferrticos

Aceros inoxidables martensticos

Aceros inoxidables austenticos

Gris Dctil Blanca Maleable

Aceros austenoferriticos

Aleaciones frreas: Los Aceros El acero es una aleacin de hierro con pequeas cantidades de otros

elementos, es decir, hierro combinado con un 1% aproximadamente de carbono, y que hecho ascua y sumergido en agua fra adquiere por el temple gran dureza y elasticidad. Hay aceros especiales que contienen adems, en pequesima proporcin, cromo, nquel, titanio, volframio o vanadio.

Se caracteriza por su gran resistencia, contrariamente a lo que ocurre con el hierro. Este resiste muy poco la deformacin plstica, 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. sta cualidad del acero y la abundancia de hierro le colocan en un lugar preeminente, constituyendo el material bsico del Siglo 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, nquel, cromo, molibdeno y vanadio.

MSTER ON LINE DE INGENIERA DE

TUBERAS

Clasificacin de los aceros: Baja aleacin

Los aceros de baja aleacin se clasifican en tres grupos bsicos:

Bajo en carbono (C < 0.25 %) Medio en carbono (0.25 < C% < 0.60) Alto en carbono (0.60 < C % < 1.4) La relacin de hierro y carbono esta gobernada por el

diagrama de equilibrio Fe-C que determina las composiciones y tipos de elementos que se forman dependiendo de la temperatura y concentraciones de los dos elementos.


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Diagrama de equilibrio Carbono - Hierro


Importancia del contenido de carbono El contenido de carbono condiciona muchas de las propiedades

mecnicas de los aceros, as como su soldabilidad. A continuacin se reflejan algunas de las variables (dureza) impactadas por el % C


Importancia del contenido de carbono

Otra de las variables afectadas es la energa absorbida en las pruebas de impacto


Aceros Bajos en carbono Los aceros bajos en carbono contienen un mximo de 0.25%C.

Dentro de las principales caractersticas se tienen: Son los que se producen comercialmente en mayor

cantidad No responden a tratamientos trmicos que forman

martensita Su microestructura corresponde a ferrita y perlita Son las que tienen menor coste de produccin Sus aplicaciones normales son para perfiles estructurales,

lminas y tuberas Son aleaciones relativamente suaves y dbiles pero con una

gran ductilidad y tenacidad. Son maquinables y soldables


Aceros Medios en carbono Los aceros medios en carbono tienen una concentracin en

peso que oscila entre 0.25% a 0.60 %. Dentro de las principales caractersticas se tienen:

Pueden ser tratados trmicamente por austenizado, templado y revenido. Normalmente se usan en la condicin revenida

Se utilizan en aplicaciones que requieren la combinacin de elevada resistencia al desgaste y tenacidad

Al aadir cromo, niquel o molibdeno se mejora la capacidad de estas aleaciones de ser tratadas trmicamente. Estas aleaciones tienen mayor resistencia a los aceros de bajo carbono pero sacrificando ductilidad y tenacidad.


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Aceros Altos en carbono Los aceros altos en carbono tienen una concentracin en

peso que oscila entre 0.6% a 1.4 %. Dentro de las principales caractersticas se tienen:

Son los aceros ms duros, ms resistentes y menos dctiles de los aceros al carbono.

Normalmente se utilizan revenidos, por ello tienen una resistencia al desgaste especial y son capaces de mantener un filo cortante

Los aceros para herramientas caen dentro de la categora de aceros de alto carbono y se combinan con otros elementos como vanadio, tungsteno o molibdeno para crear aleaciones resistentes al desgaste (ideal para herramientas de corte)


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Clasificacin de los aceros: Alta aleacin

Los aceros de alta aleacin son conocidos como ACEROS INOXIDABLES. La mayora 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 oxgeno del aire para formar xidos de hierro o herrumbre. A principios del siglo XX algunos metalurgistas descubrieron que adicionando poco ms de 10% de cromo al acero, ste no presentaba herrumbre bajo condiciones normales; la razn de ello es que el cromo suele unirse primeramente con el oxgeno del aire para formar una delgada pelcula transparente de xido de cromo sobre la superficie del acero y excluye la oxidacin adicional del acero inoxidable. Esta pelcula se llama capa pasiva. En el caso de que ocurra dao mecnico o qumico, esta pelcula es auto reparable en presencia de oxgeno.


Clasificacin de los aceros: Alta aleacin

Los aceros de Alta Aleacin corresponde a los aceros inoxidables, agrupados en :

Aceros inoxidables martensticos Aceros inoxidables Ferrticos Aceros inoxidables austenticos Aceros inoxidables austeno ferrticos

(duplex)


Aceros Inoxidables Martensticos Son la primera rama de los aceros inoxidables simplemente al cromo.

Representan una porcin de la serie 400, sus caractersticas son: Moderada resistencia a la corrosin Endurecibles por tratamiento trmico y por lo tanto se pueden

desarrollar altos niveles de resistencia mecnica y dureza Son magnticos Debido al alto contenido de carbono y a la naturaleza de su dureza,

es de pobre soldabilidad Los Martensticos son esencialmente aleaciones de cromo y

carbono. El contenido de cromo es generalmente de 10.5 a 18% y el de carbono es alto, alcanzando valores de hasta 1.2%.


Clasificacin ASTM para Aceros Martensticos


La siguiente tabla contiene la clasificacin ms importante ASTM y los elementos adicionados para una nueva denominacin

Aceros Inoxidables Ferrticos Estos aceros inoxidables de la serie 400 AISI (American Iron & Steel Institute) mantienen una estructura ferrtica estable desde la temperatura ambiente hasta el punto de fusin, sus caractersticas son: Resistencia a la corrosin de moderada a buena, la cual se incrementa con el contenido de cromo y algunas aleaciones de molibdeno Endurecidos moderadamente por trabajo en fro: no pueden ser endurecidos por tratamiento trmico Son magnticos Su soldabilidad es pobre por lo que generalmente se eliminan las uniones por soldadura a calibres delgados Usualmente se les aplica un tratamiento de recocido con lo que obtienen mayor suavidad, ductilidad y resistencia a la corrosin Debido a su pobre dureza, el uso se limita generalmente a procesos de formado en fro Los Ferrticos son esencialmente aleaciones con cromo. El contenido de cromo es usualmente de 10.5 a 30%, pero contenidos limitados de carbono del orden de 0.08%. Algunos grados pueden contener molibdeno, silicio, aluminio, titanio y niobio que promueven diferentes caractersticas.


Clasificacin ASTM para Aceros Ferrticos



Aceros Inoxidables Austenticos Los aceros inoxidables austenticos constituyen la familia con el mayor

nmero de aleaciones disponibles, integra las series 200 y 300 AISI. Su popularidad se debe a su excelente formabilidad y superior

resistencia a la corrosin. Sus caractersticas son las siguientes: Excelente resistencia a la corrosin Endurecidos por trabajo en fro y no por tratamiento trmico Excelente soldabilidad Excelente factor de higiene y limpieza Formado sencillo y de fcil transformacin Tienen la habilidad de ser funcionales en temperaturas extremas Son no magnticos


Aceros Inoxidables Austenticos Los Austenticos se obtienen adicionando elementos formadores de austenita, tales como nquel, manganeso y nitrgeno. El contenido de cromo generalmente vara del 16 al 26% y su contenido de carbono es del rango de 0.03 al 0.08%. El cromo proporciona una resistencia a la oxidacin en temperaturas aproximadas de 650 C en una variedad de ambientes. Esta familia se divide en dos categoras: SERIE 300 AISI.- Aleaciones cromo-nquel SERIE 200 AISI.- Aleaciones cromo-manganeso-nitrgeno SERIE 300 AISSERIE AISI Es la ms extensa, mantiene alto contenido de nquel y hasta 2% de manganeso. Tambin puede contener molibdeno, cobre, silicio, aluminio, titanio y niobio, elementos que son adicionados para conferir ciertas caractersticas. En ciertos tipos se usa azufre o selenio para mejorar su habilidad de ser maquinados. SERIE 200 AISI Contiene menor cantidad de nquel. El contenido de manganeso es de 5 a 20%. La adicin de nitrgeno incrementa la resistencia mecnica.


Clasificacin ASTM para Aceros Austenticos



Aceros Inoxidables Austeno ferrticos (Duplex) Son aleaciones cromo-nquel-molibdeno con sus caractersticas son las

siguientes: Son magnticos No pueden ser endurecidos por tratamientos trmicos Buena soldabilidad La estructura dplex mejora la resistencia a la corrosin de fractura

bajo tensin en ambientes con iones de cloruro. Los dplex tienen un contenido de cromo de entre 18 y 26% y de

nquel de 4.5 a 6.5%. La adicin de elementos de nitrgeno, molibdeno, cobre, silicio y

tungsteno imparten ciertas caractersticas de resistencia a la corrosin.


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Comparacin de propiedades entre los aceros inoxidables


Las Fundiciones

Desde un punto de vista terico, las fundiciones se definen como aleaciones frreas que tienen un contenido de carbono superior al 2.1%, sin embargo en la practica, la mayora de las fundiciones tienen entre un 3% a 4.5% de carbono.

En el diagrama de fases de Fe C (ver diagrama de equilibrio) muestra que aleaciones comprendidas entre esa concentracin de carbono funden a temperaturas entre 1159 C y 1300C, considerablemente mas bajas que los aceros. Por este motivo las fundiciones funden y se moldean con facilidad ,


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Clasificacin de las fundiciones

Las fundiciones se clasifican en 4 tipos bsicos Fundicin gris Fundicin dctil Fundicin blanca Fundicin maleable


Fundicin gris


La mayora de las fundiciones grises son aleaciones hipoeutcticas que contienen entre 2,5 y 4% de carbono. El proceso de grafitizacin se realiza con mayor facilidad si el contenido de carbono es elevado, las temperaturas elevadas y si la cantidad de elementos grafitizantes presentes, especialmente el silicio, es la adecuada. Para que grafiticen la cementita eutctica y la proeutectoide, aunque no la eutectoide, y as obtener una estructura final perltica hay que controlar cuidadosamente el contenido de silicio y la velocidad de enfriamiento. El grafito adopta la forma de numerosas laminillas curvadas (Fig.1-4), que son las que proporcionan a la fundicin gris su caracterstica fractura griscea o negruzca. Sus propiedades son: alta resistencia a la compresin, resistencia a la fatiga trmica y amortiguamiento contra la vibracin.

Metalografa de Fundicin gris


Fundicin Dctil (Esferoidal) La fundicin nodular,dctil o esferoidal se produce en hornos cubilotes, con la fusin

de arrabio y chatarra mezclados con coque y piedra caliza. La mayor parte del contenido de carbono en el hierro nodular, tiene forma de esferoides. Para producir la estructura nodular el hierro fundido que sale del horno se inocula con una pequea cantidad de materiales como magnesio, cerio, o ambos.

Esta microestructura produce propiedades deseables como alta ductilidad, resistencia, buen maquinado, buena fluidez para la colada, buena endurecibilidad y tenacidad. No puede ser tan dura como la fundicin blanca, salvo que la sometan a un tratamiento trmico, superficial, especial. Este tipo de fundicin se caracteriza por que en ella el grafito aparece en forma de esferas minsculas y as la continuidad de la matriz se interrumpe mucho menos que cuando se encuentra en forma laminar, esto da lugar a una resistencia a la traccin y tenacidad mayores que en la fundicin gris ordinaria. La fundicin nodular se diferencia de la fundicin maleable en que normalmente se obtiene directamente en bruto de colada sin necesidad de tratamiento trmico posterior.

El contenido total de carbono de la fundicin nodular es igual al de la fundicin gris. Las partculas esferoidales de grafito se forman durante la solidificacin debido a la presencia de pequeas cantidades de magnesio o cerio, las cuales se adicionan al caldero antes de colar el metal a los moldes, la cantidad de ferrita presente en la matriz depende de la composicin y de la velocidad de enfriamiento.


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Metalografa de Fundicin Dctil


Fundicin Blanca Son aquellas en las que todo el carbono se encuentra combinado bajo

la forma de cementita. Todas ellas son aleaciones hipoeutcticas y las transformaciones que tienen lugar durante su enfriamiento son anlogas a las de la aleacin de 2,5 % de carbono.

Estas fundiciones se caracterizan por su dureza y resistencia al

desgaste, siendo sumamente quebradiza y difcil de mecanizar. Esta fragilidad y falta de maquinabilidad limita la utilizacin industrial de las fundiciones " totalmente blancas ", quedando reducido su empleo a aquellos casos en que no se quiera ductilidad como en las camisas interiores de las hormigoneras, molinos de bolas, algunos tipos de estampas de estirar y en las boquillas de extrusin. Tambin se utiliza en grandes cantidades, como material de partida, para la fabricacin de fundicin maleable.


Metalografa de Fundicin Blanca


Fundicin maleable La tendencia que presenta la cementita a dejar en libertad

carbono, constituye la base de la fabricacin de la fundicin maleable. La reaccin de descomposicin se ve favorecida por las altas temperaturas, por la presencia de impurezas slidas no metlicas, por contenidos de carbono ms elevados y por la existencia de elementos que ayudan a la descomposicin del Fe3C.

La maleabilizacin tiene por objeto transformar todo el carbono que en forma combinada contiene la Bajo la forma de rosetas, el carbono revenido no rompe la continuidad de la matriz ferrtica tenaz, lo que da lugar a un aumento de la resistencia y de la ductilidad.


Metalografa de Fundicin maleable


INTRODUCCIN A LAS ALEACIONES FRREASAl finalizar este mduloA modo de ndiceNecesidad de aleaciones frreasClasificacin de las Aleaciones FrreasAleaciones frreas: Los AcerosClasificacin de los aceros: Baja aleacinDiagrama de equilibrio Carbono - HierroImportancia del contenido de carbonoImportancia del contenido de carbonoAceros Bajos en carbonoAceros Medios en carbonoAceros Altos en carbonoClasificacin de los aceros: Alta aleacinClasificacin de los aceros: Alta aleacinAceros Inoxidables MartensticosClasificacin ASTM para Aceros MartensticosAceros Inoxidables FerrticosClasificacin ASTM para Aceros FerrticosAceros Inoxidables AustenticosAceros Inoxidables AustenticosClasificacin ASTM para Aceros AustenticosAceros Inoxidables Austeno ferrticos (Duplex)Comparacin de propiedades entre los aceros inoxidablesLas FundicionesClasificacin de las fundicionesFundicin grisMetalografa de Fundicin grisFundicin Dctil (Esferoidal)Metalografa de Fundicin Dctil Fundicin BlancaMetalografa de Fundicin BlancaFundicin maleableMetalografa de Fundicin maleable

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