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TEMA 3. ACEROS ESTRUCTURALES Y ACEROS DE BAJA ALEACION DE ALTA RESISTENCIA.

INDICE.

1.Introducción.

2.Aceros al carbono estructurales.

3.Aceros de baja aleación templados y recocidos.

4.Aceros HSLA.

5.Aplicaciones y selección de los aceros HSLA.

6.Aceros de ultra alta resistencia.

Aceros estructurales y de baja aleación y alta resistencia

1.INTRODUCCION.

Los aceros de baja aleación y al carbono de alta resistencia tienen límites de elasticidad por encima de 275 Mpa y pueden ser divididos en cuatro tipos:

a.Aceros al carbono - manganeso (bobinados).

b.Aceros de baja aleación y gran resistencia (Aceros microaleados) (bobinados).

c.Aceros al carbono con tratamiento térmico (normalizados y templados).

d.Aceros de baja aleación con tratamiento térmico.

Estos cuatro tipos de aceros tienen mayores límites elásticos que los aceros de medio carbono (en el estado bobinado), tal y como se muestra en la tabla siguiente:

Los cuatro tipos de aceros de alta resistencia tienen algunas diferencias básicas en cuanto a sus propiedades mecánicas y formas disponibles comercialmente. En términos de las propiedades mecánicas, los aceros de baja aleación y tratados térmicamente (templados y recocidos) ofrecen la mejor combinación en cuanto a resistencia y tenacidad. Por otro lado estos aceros pueden ser disponibles en formas primarias como barras y ocasionalmente como planchas y formas estructurales.

No obstante estas formas estructurales son difíciles de obtendrán la condición de recocido y templado por diversos problemas. Los aceros tratados térmicamente por otro lado necesitan de un mayor proceso para ser producidos. Es por ello que los aceros HSLA (en bobina) son una alternativa muy atractiva. Este tipo de aceros además son disponibles en todo tipo de productos estándar (planchas, barras, formas estructurales...).

Durante este tema se hará especial hincapié en los aceros HSLA, ya que son una alternativa muy atractiva para las aplicaciones estructurales por su gran competitividad en la relación precio-resistencia (de hecho generalmente los

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aceros HSLA tienen precios similares a los de los aceros al carbono pero tienen mayores límites elásticos que los aceros al carbono bobinados).

Los aceros de alta resistencia son utilizados normalmente para reducir la sección de una pieza diseñada para una determinada carga, lo que siempre permite ahorrar peso. Por otro lado las reducciones en el tamaño e las secciones son también beneficiosas para obtener el nivel deseado de resistencia en los aceros estructurales. En todos ellos se observa que el nivel de resistencia tiende a disminuir con el aumento de la sección (esto se debe por ejemplo en aceros tratados térmicamente al desarrollo de una microestructura de granos mayores) que aparece por rampas de enfriamiento más lentas en el material por su mayor sección. En general tal y como aumenta el tamaño de la sección, se va haciendo más difícil el controlar el nivel de resistencia.

2.ACEROS AL CARBONO ESTRUCTURALES.

Dentro de los aceros estructurales se incluyen aceros dulces (de bajo contenidos en carbono), aceros al carbono-manganeso enrollados en caliente y aceros al carbono tratados térmicamente. Los dos primeros son disponibles en todas las formas posibles, desde barras y planos hasta cualquier sección especial. Los aceros tratados térmicamente únicamente de forma ocasional son disponibles con formas estructurales.

En la gráfica siguiente aparecen las composiciones, propiedades, y forma de los productos e aceros al carbono estructurales:

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2.1.Aceros dulces (de bajo contenido en carbono).

Son aceros de composición en contenido en carbono hasta un 0.25%, manganeso de un 0.4 a un 0.7% y de silicio entre un 0.1 a un 0.5%, y otros elementos residuales como azufre, fósforo etc...

Son aceros en donde la dureza no se aumenta por la incorporación de elementos aleantes, de hechocontienen manganeso y azufre para mejorar su estabilización y silicio por su efecto desoxidante. Estos aceros son normalmente enrollados en caliente y tienen como tratamientos térmicos el recocido y el templado.

El tipo de aceros dulces más utilizado para usos sin demasiados requerimientos técnicos son los de bajo carbono (por debajo d 0.08%C y manganeso menor de 0.4%). Otros aceros dulces de más alto contenido en carbono y manganeso son utilizados con fines estructurales y se sirven comercialmente como barras, planchas y secciones estructurales. Como ejemplos citar el SAE 1010, ASTM A 238 y ASTM A 36.

Antes de la aparición de los aceros HSLA, este tipo de aceros era utilizado con fines estructurales en automóviles, puentes y edificaciones. El SAE 1010 fue

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utilizado en la industria del automóvil hasta que la crisis energética de los años 70 llevo a las industrias automovilísticas a reducir peso por medio del uso de aceros de mayor resistencia y ductilidad similar.

De igual forma los aceros ASTM A 7 (ahora A 283) fue utilizado con usos estructurales en edificios y puentes. Sin embargo su uso ha quedado desplazado a partir de la aparición de los aceros HSLA. Los aceros HSLA tienen mejores resistencias, son más fácilmente soldables y resisten mejor a la corrosión que este tipo de aceros al carbono.

2.2. Aceros estructurales al carbono-manganeso bobinados en caliente.

Para este tipo de e aceros una de las primeras formas que se adopto para aumentar su resistencia fue el uso de mayores contenidos de manganeso. El manganeso es uno de los principales elementos de aleación que aumentan la resistencia en aceros de bajo contenido en carbono (menos de 0.2% C9, cuando se encuentra presente en más de un 1%. Además consigue aumentar la tenacidad también.

Antes de la segunda guerra mundial, el aumento de resistencia en estos aceros bobinados en caliente de uso estructural se lograba aumentan do el contenido de carbono hasta un 0.4% y el contenido en manganeso hasta un 1.5% (se lograban límites elásticos de hasta 400 Mpa). El aumento de resistencia se debía fundamentalmente al aumento de carbono, si bien esto traía consigo la disminución de la tenacidad y soldabilidad.

No obstante los aceros al carbono manganeso se utilizan en diversas aplicaciones actualmente. En la tabla siguiente se muestran aceros al carbono - manganeso bobinados en caliente de alta resistencia. En el caso de necesitar formas estructurales con mayores tenacidades se añaden pequeñas cantidades de aluminio para afinar el grano.

2.3.Aceros al carbono estructurales de alta resistencia.

Se trata de aceros de alto límite elástico, por encima de 275 Mpa. Están disponibles de varias formas:

a.Planchas estructurales bobinadas en frío.

b.Aceros al carbono - manganeso en diversas formas placas, barras y formas estructurales).

c.Aceros al carbono tratados térmicamente (1.normalizados y 2.recocidos y templados) normalmente en forma de barras y ocasionalemente en placas y formas estructurales.

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En este apartado nos vamos a centrar en los aceros al carbono tratados térmicamente que tienen límites elásticos entre 290 y 690 Mpa. Los tratamientos térmicos consisten bien en un normalizado, o bien en un recocido y un templado. Estos tratamientos puede ser utilizados para aumentar las propiedades mecánicas. No obstante normalmente las formas estructurales se construyen a partir de aceros al carbono bobinados en caliente, para evitar todos los problemas generados por los tratamientos térmicos. No obstante existen productores que utilizan los aceros tratados térmicamente para llevar a cabo sus secciones y formas.

Tratamiento de normalizado.

Se trata de aplicar un enfriamiento con aire desde temperaturas de austenización, consiguiendo estructuras de tipo ferrita-perlita muy similares a las que se obtienen por bobinado en caliente pero con tamaño de grano más fino. Esto hace que el acero sea más fuerte, uniforme y con tenacidad. Los principales tipos aparecen en la tabla 2. Para controlar los valores de resistencia ante impactos se varían los contenidos en manganeso.

Recocido y templado.

Se trata de calentar hasta 900ºC, enfriamiento en agua, mantenimiento a temperaturas entre 480 y 600ºC.

Se consiguen buenas combinaciones de resistencia y tenacidad. El límite elástico se encuentra entre 315 y 550 Mpa. El contenido de carbono se suele situar en 0.5%.

Aceros con contenidos entre 0.4 y 0.6%, se utilizan para ruedas de ferrocarril, y aquellos con mayores contenidos de carbono para muelles, normalmente con adiciones de cromo, vanadio, silicio y manganeso. Aquellos de mayor contenido en carbono (0.7%) se utilizan para railes de ferrocarril.

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3.ACEROS DE BAJA ALEACION TEMPLADOS Y RECOCIDOS.

Los aceros aleados se definen dentro de este grupo como aquellos que cumplen:

1.Contienen manganeso, silicio o cobre en cantidades mayores que los límites máximos del acero al carbono (1.65% Mn, 0.6%Si y 0.6% Cu).

2.Tienen especificado un mínimo de adición para uno o más de los restante elementos. Los aceros de baja aleación tienen además un máximo contenido de aleantes incluido el carbono de un 8%.

La mayoría de los aceros de baja aleación (salvo aquellos únicamente aleados con niobio, vanadio y/o titanio) son utilizados como materiales de ingeniería tratados térmicamente. Los aceros de baja aleación tienen mejor templabilidad que los aceros al carbono y proporcionan resistencia y tenacidad en secciones mayores por tratamiento térmico.

Gracias a los elementos aleantes tienen mejor resistencia a la temperatura y a la corrosión, sin embargo tal y como estos contenidos aumentan, estos aceros son más caros y difíciles de soldar. Normalmente se proporcionan como productos en barras.

3.1.Elementos de aleación y sus efectos en el templado y endurecimiento.

Los aceros recocidos y templados tienen contenidos en carbono en el rango 0.1 a 0.45%, con contenidos en elementos aleantes, solos o en combinación, por encima de 1.5% de Mn, 55 de Ni, 3% de Cr, 1% de Mo, 0.5% de V y 0.1% de Nb. En algunos casos tienen pequeñas adiciones de titanio, circonio y/o boro.

Generalmente cuanto más alto sea el contenido de aleantes, tanto mayor será el endurecimiento, y cuanto mayor contenido de carbono, más endurecible será el material. Algunas composiciones típicas para aceros de baja aleación recocidos y templados se exponen en la tabla siguiente:

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3.2.Aceros de alto níquel para servicios a baja temperatura.

Para aplicaciones donde la temperatura de servicio vaya de 0 a -195ºC, se utilizan usualmente aceros ferríticos de alto contenido en níquel. Estas aplicaciones incluyen tanques de almacenamiento para gases de hidrocarburo licuados, y maquinaría y estructuras diseñadas para lugares fríos.

Los aceros que normalmente se utilizan son los que se muestran en la siguiente tabla así como el acero HY-130 que se presenta en la tabla 3.

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Estos aceros utilizan el efecto del níquel para reducir el impacto de la temperatura de transición, aumentando la tenacidad a bajas temperaturas. Los materiales para bajas temperaturas están recogidos en las especificaciones ASTM A 757.

Las energías de impacto Charpy V a bajas energías de la aleación HY-130 a bajas energías se muestran en la siguiente figura:

4.ACEROS HSLA.

Los aceros de alta resistencia y baja aleación son un grupo de aceros al carbono que utilizan pequeñas cantidades de elementos de aleación y que llegan a alcanzar límites de elasticidad por encima de los 275 Mpa tanto en la condición de bobinado como de normalizado.

Estos aceros tienen mejores propiedades mecánicas e incluso mejores resistencias a la corrosión que los aceros al carbono bobinados. Aún así, y debido a que la alta resistencia de los aceros HSLA se consigue con bajos contenidos en carbono, tienen características de soldabilidad similares a los aceros dulces.

Los aceros de baja aleación son usualmente bobinados en caliente y obtenidos en diversas formas (incluso como secciones de estructuras). Sin embargo algunos aceros HSLA son sometidos posteriormente a tratamientos térmicos especiales de templado para mejorar sus propiedades. Los métodos de procesado usualmente incluyen:

a.Laminación controlada.

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Obtención de granos de austenita que cuando se enfrían dan lugar a granos finos de ferrita que aumentan la tenacidad y el límite elástico.

b.Enfriamiento acelerado.A fin de transformar la austenita en granos de ferrita.

c.Templado o enfriamiento acelerado en aire o agua de aceros de bajo carbono (menos de 0.08%).Se obtiene estructuras bainíticas de bajo carbono con límites de elasticidad entre 275 y 690 Mpa).

d.Normalizado de aceros HSLA con vanadio.Consiguen afinar el tamaño del grano aumentando la tenacidad y el límite elástico.

e.Obtención de microestructura de doble fase (islas de martensita inmersas en una matriz de ferrita).Aunque tienen bajos límites elásticos debido a que puede endurecerse facilmente por trabajo, hay una buena combinación de ductilidad y resistencia a tracción.

La utilización, ventajas y coste de estos métodos de procesado dependen fuertemente de la forma del producto y de la composición del material y se estudia con detenimiento a continuación.

4.1.Categorías y especificaciones de los aceros HSLA.

Dentro de esta categoría de aceros de baja aleación existen muchas especificaciones y grados propias de los fabricantes, y hacen referencia al cumplimiento de unas propiedades deseadas como resistencia, resistencia a la corrosión etc... Este tipo de aceros no se considera como aceros aleados. Su precio se basa ordinariamente en el precio base de los aceros al carbono, no por el precio base de los aceros aleados. Los aceros HSLA se venden sobre la base de que cumplan unas propiedades mínimas siendo decisión del productor el contenido de la aleación.

Aunque hay numerosas normas y grados comerciales, los aceros HSLA están divididos en siete categorías que se presentan a continuación. La tabla siguiente es un resumen donde se da n también las principales aplicaciones.

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4.1.1.Aceros para exposición al ambiente.

Se trata de aceros con pequeñas cantidades de elementos aleantes como cobre y fósforo que mejoran las propiedades anticorrosión. Los aceros de uso estructural están recogidos en la ASTM A 242, mientras que los aceros para aplicaciones estructurales pesadas se recogen en la ASTM A 588. Estos dos aceros reducen la corrosión a partir de formar su propio óxido como película superficial. Aunque inicialmente se corroen a la misma velocidad que los aceros al carbono, pronto esta decrece, y después de varios años

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prácticamente no existe corrosión. La capa de óxido es continua y adherente, siendo una barrera para la humedad y el oxígeno. Este tipo de aceros sin embargo no es recomendable para exposiciones a condiciones industriales severas o a ambientes marinos, ni tampoco para aquellas donde vaya a ser sumergido.

4.2.2.Aceros microaleados ferriticos - perlíticos.

Se trata de aceros donde se utilizan elementos de aleación como el niobio y el vanadio para aumentar la resistencia sin aumentar los contenidos en carbono o en manganeso. De esta forma el contenido en carbono se puede disminuir para aumentar la soldabilidad y tenacidad ya que el efecto de endurecimiento dado por el niobio y el vanadio compensan la reducción de resistencia debida a la reducción de carbono. Gracias a la presencia de estos aleantes, este tipo de aceros llega a tener contenidos en carbono por debajo de 0.06% o incluso inferiores, desarrollando límites elásticos de 485 Mpa. El límite elástico se ve incrementado por la combinación de los efectos de un tamaño de grano pequeño desarrollado por una controlada laminación en caliente y el endurecimiento por precipitación gracias a la presencia de vanadio, titanio y titanio.

También en este caso, en muchas especificaciones no especifican el rango de aleantes a introducir para conseguir un determinado nivel de resistencia. Normalmente estos aceros se especifican en términos de lograr unas propiedades mecánicas y se deja en manos del productor la combinación de elementos para conseguirlas. Algunas especificaciones como la J410 establece los máximos de los aleantes a introducir tal y como pone de manifiesto la siguiente tabla:

4.2.3.Aceros perlíticos laminados.

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Se trata de un grupo específico de aceros donde se aumentan las propiedades mecánicas a partir de la adición moderada de uno o varios elementos además del carbono.

Algunos de estos aceros son los aceros al carbono - mangneso que se diferencian tan solo de los aceros al carbono en la cantidad de manganeso.

Estos aceros una vez laminados tienen límites elásticos de 290 a 345 Mpa. No se les suele templar, aunque algunas veces se aplican tratamientos de normalizado, o de relajación de tensiones. Cuando estos aceros se utilizan en estructuras soldadas se debe tener muy en cuenta el procedimiento de soldadura. Los inconvenientes de estos aceros son sobre todo que la microestructura perlítica tiene una transición dúctil-frágil y que por su alto contenido en carbono no son muy soldables.

4.2.4.Aceros de ferrita acicular (Bainita de bajo carbono).

Se trata de aceros HSLA donde se ha conseguido que la microestructura sea muy fina de ferrita acicular y de gran resistencia.

Se consigue a partir de la transformación por enfriamiento de aceros con muy bajos contenidos en carbono (menos de 0.08%) aunque endurecibles, por la adición de manganeso, molibdeno y/o boro.

Se obtienen por enfriamiento sobre todo por aire de aceros convenientemente aleados. La principal ventaja de este tipo de aceros es la inusual combinación de altos límites elásticos (de 415 a 690 Mpa), alta tenacidad, y buena soldabilidad. La principal aplicación de estos aceros es como oleoductos y tuberías en zonas árticas.

Algunas propiedades de estos aceros se muestran en la siguiente gráfica:

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Estos materiales que se utilizan para oleoductos y tuberías, tienen contenidos de carbono entre 0.01 y 0.05% de carbono. Por debajo de 0.01% el material afectado térmicamente por la soldadura se fragiliza y tiende a la rotura inducida por hidrógeno y pérdida de ductilidad. La adición de boro o de enfriamientos acelerados en línea, asegura además de una buena soldabilidad, altas resistencias y tenacidades.

Existen tres tipos de este acero para servicios especiales en el ártico: X-65, X-70 y X-80. Por ejemplo la clase X-70 tiene una composición: 0.035 en C, 0.25% Si. 1.91% Mn, 0.008% P, 0.001% S, 0.048% N además de titanio, boro y calcio.

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4.2.5.Aceros de doble fase.

Tienen una microestructura con un 80-90% de ferrita y de un 10 a un 20% de islas de martensita dispersas en la matriz. Aunque estos aceros tienen bajo límite elásticos son susceptibles de endurecer a partir de ser trabajados. El límite elástico de estos materiales va de los 310 a los 345 Mpa. Este tipo de acero puede producirse a partir de aceros de bajo carbono por tres medios:

1.Austenitización de aceros carbono manganeso seguidos de un rápido enfriamiento.

2.Adición de formadores de ferrita como el silicio y de cromo, anganeso y/o molibdeno.

3.Aceros al carbono-manganeso seguido de recocido y templado.

4.2.6.Aceros libres intersticiales (IF).

Aceros con muy bajo contenido intesticial que exhiben excelente maquinabilidad, con bajo límite elástico y alta elongación.

4.2.7.Aceros don inclusiones de forma controlada.

Se trata de una mejora muy sustancial de este tipo de aceros. Las inclusiones de sulfuros, son plásticas a la temperatura de laminación, y se transforman a estas temperaturas en inclusiones deformadas y elongadas que afectan negativamente a la ductilidad en la dirección perpendicular al espesor. El objetivo de controlar la forma de las inclusiones es conseguir inclusiones que no sean plásticas cualquiera que sea la temperatura de laminación.

El método preferido para el control de la forma es la adición de calcio - silicio. También se consigue con la adición de tierras raras como circonio y titanio, que cambian la forma de las inclusiones, desde las formas elongadas a los pequeños, dispersos y casi esféricos glóbulos. Este cambio en las forma de las inclusiones de sulfuros aumenta la resistencia al impacto lateral y mejora la maquinabilidad.

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5.APLICACIONES Y SELECCION DE LOS ACEROS HSLA.

Los aceros de baja aleación y alta resistencia empezaron a ser utilizados al principio de los años 60 con usos estructurales, y debido a su facilidad para ser soldados.

En los años 70 empezaron a ser utilizados como materiales para oleoductos tanto para servicios a altas temperaturas como a muy bajas. Más tarde con la crisis energética de los años 70, se penso en el uso también de los aceros HSLA en el campo de los automóviles y camiones en un intento de reducción del peso total. A partir de los años 80 se empezaron a utilizar como materiales estructurales y de refuerzo con muy variadas formas.

Los aceros de baja aleación y alta resistencia se utilizaron para una gran variedad de usos, ya que sus propiedades pueden ser encaminadas al cumplimiento de unos requerimientos específicos por la combinación de la composición y microestructura obtenida por tratamientos térmicos. La siguiente tabla muestra el uso de estos materiales en diversos productos en función de los países indicados:

5.1.Guías para la selección.

Como regla se hace necesario justificar el uso de aceros HSLA mediante comparación en coste con otros materiales. Estos aceros casi siempre cuestan más que los aceros al carbono y algunas veces incluso que los aceros aleados con los que compiten para una determinada aplicación.

Los aceros HSLA tienen ventaja sobre otros materiales en el caso en que se busque:

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1.Reducciones de peso.

2.Nuevos o más eficientes diseños con mejoras en sus propiedades.

3.Una reducción atractiva en cuanto a costes por fabricación o manufactura.

4.Reducción de costes de transporte por su reducción de peso.

Por ejemplo en la industria del automóvil, la principal ventaja de sustituir el acero dulce por HSLA es la reducción de peso. Esta reducción de peso se debe a que la sección de las piezas se reduce al ser más fuerte el acero HSLA. Esta reducción de peso no solo consigue el ahorro de combustible, sino que también el aligeramiento de un componente lleva aparejado el aligeramiento de un buen número de piezas en su entorno. En algunos casos el cambio a material HSLA puede ser considerado únicamente sobre la base de un ahorro de material. Incluso en alguna ocasión el ahorro que representa la reducción de peso puede ser suficiente para considerar el cambio a material HSLA.

Otro tipo de beneficio que representa el utilizar este tipo de materiales es la eliminación de operaciones de fabricación / manufactura asociadas al tratamiento térmico de los aceros al carbono necesitan. Así por ejemplo el uso de un acero HSLA representa la eliminación de los procesos recocido, templado, endurecimiento y eliminación de tensiones. Así en el uso de este acero para la empresa aeronáutica o para varillas de unión puede llegar a representar ahorros de hasta un 10%.

Otros factores que pueden inclinar la balanza en la selección de los HSLA son:

1.Formabilidad.Cualquier problema para obtener una determinada forma con aceros HSLA puede ser superado mediante el rediseño.

2.Tenacidad.Se consiguen mejores tenacidades después del laminado.

3.Propiedades de fatiga.Son adecuadas salvo en el caso de uniones soldadas.

4.Soldabilidad.Ha dejado de ser un problema.

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5.Maquinabilidad.Muy buenas gracias a las adiciones de calcio y niobio.

6.Resistencia a la corrosión.Hasta 8 veces superior a las obtenidas por los aceros al carbono.

7.Grietas y corrosión por hidrógeno.

5.2.Oleoductos y conducciones de gas.

Fue una de las primeras aplicaciones para los aceros HSLA, y en particular en regiones árticas. Se han desarrollado gracias a estos aceros tuberías de grandes diámetros capaces de soportar en su interior grandes presiones (11 Mpa). Se pueden utilizar tipos HSLA de límites elásticos hasta de 483mpa y de espesores de 25 mm. Una de las propiedades críticas es la resistencia a tracción, aunque existen otras no menos importantes como la soldabilidad, tenacidad y resistencia a fractura, y resistencia por ataques ácidos. todos estos aspectos son cubiertos perfectamente por los aceros HSLA.

Uno de los mayores problemas es la soldadura circunferencial que se utiliza en las líneas, y que se desarrolla a alta velocidad. Este problema se resuelve utilizando aceros del más bajo contenido en carbono equivalente posible.

La tenacidad a fractura también es otro requerimiento importante. Se intenta evitar la rotura frágil a partir de utilizar bajos contenidos en carbono, microalear y laminaciones termomecánicas.

Por otro lado la forma de evitar la propagación de grietas dúctiles es un oleoducto es asegurar bajos contenidos en azufre (por debajo de 0.005%). Además el utilizar tan bajos contenidos en azufre también asegura la no reacción con gas ácido o con el aceite que se transporta.

5.3.Aplicaciones en el sector del automóvil.

Los aceros HSLA se utilizan ampliamente en la fabricación de automóviles. En este campo son importantes los aspectos: tenacidad, comportamiento ante choques, vida a fatiga, resistencia a corrosión, propiedades acústicas, formabilidad y soldadura.

La casa Opel encontro las siguientes desventajas en el uso de los aceros HSLA:

1.Tienen la posibilidad de ser mecanizados más limitada.

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2.La resistencia a fatiga de las zonas soldadas es no muy superior a la de los aceros dulces.

3.En el uso de perfiles delgados, hay una reducción en rigidez, susceptibilidad a la corrosión y comportamiento ruidoso.

La función que deba desarrollar la pieza en el automóvil es también importante para decidir si utilizar aceros HSLA o no hacerlo. En aplicaciones donde lo más importante sea el límite elástico, como puertas y zonas estructurales, los aceros HSLA pueden ser muy eficientes al ahorrar entre un 40 y un 60% de peso respecto a aceros dulces. Sin Sinembargo en otras piezas donde lo realmente importante sea la tenacidad y que estén sujetas a flexión como los paneles exteriores, no hay justificación económica para cambiar los aceros dulces por los HSLA.

Existen otros muchos campos como los camiones, locomotoras, vagones de tren... donde el uso de aceros HSLA puede repercutir en un importante ahorro de peso.

5.3.Aplicaciones estructurales exteriores.

Las características esenciales para este tipo de aplicación serían:

a.Límite elástico entre 350 y 450 Mpa.

b.Buena soldabilidad.

c.Minimizar la necesidad de precalentamiento en soldadura.

d.Alta tenacidad en la zona afectada térmicamente en la soldadura.

e.Buena tenacidad a la fractura en las temperaturas de operación.

Muchas de estas características se han conseguido a partir de una reducción del contenido en impurezas como azufre, nitrógeno y fósforo. Por otro lado otro de los retos ha sido disminuir el contenido de carbono equivalente para favorecer la soldabilidad manteniendo la resistencia. Esto se ha conseguido por la adición de niobio y tratamientos de enfriamiento acelerado.5.4.Láminas formadas en frío.

La atracción fundamental del empleo de aceros HSLA en este caso vuelve a ser la reducción de peso de los componentes, sobre todo en las láminas que se utilizan en el sector del automóvil. La posibilidad de mecanización es el mayor problema que se presenta en estos aceros.

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5.5.Aceros estructurales.

Se suelen utilizar adiciones de niobio, vanadio y titanio como microaleantes, mientras que componentes como el cromo y el molibdeno son utilizados en servicios a alta temperatura. El proceso utilizado en este tipo de aplicaciones es el de laminar el material, normalizado, recocido y templado.

Vigas y columnas de acero HSLA para edificios se espera que sean competitivas incluso con el hormigón armado y pretensado. Los beneficios van desde un aumento de la capacidad de carga de las columnas, ganancia de espacio, menores pesos. Actualmente se está desarrollando un material compuesto donde se combina el uso de hormigón con barras de acero HSLA de refuerzo. Este tipo de material tiene gran resistencia a compresión en edificios altos, y una buena resistencia al fuego.

5.6.Construcción de barcos.

Esta aplicación está limitada por consideraciones de rigidez. Dado que los aceros HSLA y los aceros dulces tienen el mismo módulo elástico, la reducción de espesor puede traer consigo la reducción de la rigidez elástica.

Uno de los principales avances sin embargo de los aceros HSLA en este tipo de aplicación fue la no necesidad de aplicar precalentamientos en el proceso de soldadura. En Japón se están utilizando aceros HSLA con bastante éxito.

5.7.Aplicaciones para vehículos y gruas.

Se incluye en esta aplicación, camiones, cisternas, grúas móviles y maquinaria pesada. Las propiedades más importantes incluyen la resistencia y tenacidad, resistencia a rotura frágil, soldabilidad y posible mecanización.

En grúas de construcción se necesitan mínimos de límite elástico muy altos para asegurar una gran capacidad para el levantamiento de pesos muertos. Así en grúas materiales con mínimos de límite elástico de 960 Mpa, ofrecen grandes ventajas económicas y técnicas. Buenas propiedades de resistencia a la rotura frágil se consiguen con aceros de ferrita acicular.

La resistencia a ciclos de carga es extremadamente importante, y en especial la resistencia a fatiga de las uniones soldadas que siempre tienen comportamiento inferior al del resto del material al ser afectadas térmicamente.

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5.8.Aplicaciones en el transporte ferroviario.

Existen tres tipos de aceros ampliamente utilizados que son:

a.ASTM A 633 D.Acero de bajo contenido en carbono, con contenidos de níquel, manganeso, molibdeno y vanadio.

b.ASTM A 737 B.Acero microaleado con niobio.

c.ASTM A 808.Acero microaleado con niobio y vanadio.

5.9.Aplicaciones para vigas, refuerzos...

Se trata de la última área donde se están introduciendo los aceros HSLA. Se ha buscado el aumento de resistencia, la eliminación del tratamiento térmico, tenacidad, soldabilidad, facilidad de mecanizado etc...

En la tabla siguiente se exponen los principales materiales utilizados con sus composiciones y principales aplicaciones.

6.Aceros de ultra alta resistencia.

Los aceros estructurales de muy alta resistencia reciben el nombre de aceros de ultra alta resistencia. Este nombre es subjetivo porque no se han fijado de forma universal cuales son los umbrales entre los que se encuentran estas altas resistencias. Además día a día se desarrollan materiales de cada vez más altos límites elásticos. Este punto trata todos aquellos materiales cuyo mínimo límite elástico se sitúe en los 1380 Mpa.

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Por debajo pero muy cerca de estas resistencias existen aceros de construcción bastante utilizados. Estos aceros son fundamentalmente los aceros de media aleación 4330V y 4335V (con vanadio), de límite elástico entre los 1240 y los 1380 Mpa.

Los aceros de resistencia ultra alta para construcción incluyen varias familias distintas de aceros. Se incluyen en este punto los aceros de medio carbono y baja aleación, los de media aleación y endurecimiento al aire, y los aceros de alta tenacidad a fractura. No se incluyen los aceros Maraging que serán tratados más adelante.

Pese a que diversas investigaciones han demostrado que los tratamientos térmicos como el austemplado o la laminación en caliente consiguen variar en gran medida las propiedades de los aceros, comercialmente no se utilizan. Esto posiblemente sea debido a la dificultad de adaptar estos tratamientos térmicos a los nuevos materiales desarrollados.

6.1.Aceros de medio carbono y baja aleación.

Se trata de aceros especificados en la AISI/SAE 4130, 4140 y 4340.

Sobre la base del acero 4340 se han desarrollado varias modificaciones, como la 300M que posee mayores contenidos en silicio para prevenir la rotura frágil, o el AMS 6434 donde se ha incrementado el vanadio para incrementar tenacidad y reducido el carbono para asegurar la soldabilidad. existen otros aceros además incluidos en este grupo. Las composiciones de todos ellos se muestran en la siguiente tabla:

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Durante los últimos años, los principales esfuerzos de innovación en este campo han ido destinados a incrementar la ductilidad y tenacidad, introduciendo severas normas de inspección en los procesos de producción.

Se han conseguido aceros con menor número de inclusiones no metálicas y menores defectos internos y superficiales.

Estos aceros son normalmente forjados en caliente en temperaturas entre 1065 y 1230ºC. Para evitar problemas de grietas por tensiones residuales, las piezas forjadas deben ser enfriadas lentamente en horno inmersos en cenizas etc...Antes de ser trabajados, estos aceros se suelen normalizar entorno a los 900ºC y templar entre 650 y 675ºC.

Preferiblemente estos aceros deben ser soldados después de ser normalizados, y después tratados térmicamente para conseguir las características deseadas. Para evitar problemas de fragilidad se suele dar tratamientos de precalentamiento.

A continuación se dan dos tablas donde aparecen las propiedades mecánicas que pueden ser obtenidas en un acero tipo 4130 por tratamiento térmico.

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Por ejemplo el acero 4130 suele ser utilizado para construir turbinas, alambres, ejes de coches, líneas hidráulicas, partes de maquinaría, barras, vigas etc...

Los tratamientos térmicos que se utilizan para el acero 4130:

1.Normalizado.Calentamiento entre 870 y 925ºC. Mantenimiento un cierto tiempo, enfriamiento con aire.Mantener a 480ºC.

2.Anneal.Calentamiento entre 830 y 860ºC, mantenimiento un cierto tiempo y enfriamiento en horno.

3.Endurecimiento.Calentamiento entre 845 y 870ºC y templado en agua.También puede consistir en calentamiento entre 860 y 885ºC y templado en aceite.

4.Templado.Mantener al menos media hora entre 200 y 700ºC. Enfriamiento al aire o templado en agua.

5.Esferodización.Calentamiento entre 760 y 775ºC, mantener de 6 a 12 horas y enfriamiento lento.

6.2.Aceros de media aleación con endurecimiento al aire.

Se trata de los aceros de medio carbono tipos H11 modificado y H13, que son conocidos como aceros al 5% de Cromo y trabajados en caliente. Estos aceros son utilizados ampliamente como aceros estructurales, aunque en la

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actualidad su uso cada vez es menos extenso por el desarrollo de otros aceros del mismo precio y mejores prestaciones. No obstante todavía presentan un fuerte atractivo ya que pueden ser endurecidos en grandes piezas por enfriamiento al aire.

La composición de estos aceros viene dada en la tabla primera ya presentada.

6.3.Aceros de alta tenacidad a fractura.

Estos aceros de alta resistencia y tenacidad a la fractura son aceros comerciales de límite elástico de 1380 Mpa y KIC de 100 Mpa m. Estos aceros son los HP-9-4-30 y el AF1410.

Estos aceros aleados son del tipo Ni-Co-Fe y tienen con ellos grandes similitudes. son aceros soldables pero con mayor dificultad para ser mecanizados que las aleaciones.

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