Paper IEEE

UDFJC. Tecnología en mecánica. Metalografía. 2011-1.

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ACEROS INOXIDABLES AISI/SAE 310

Julian Castellanos Peña e-mail: [email protected]

Jeison Fidel Marta Tapias e-mail: [email protected]

Jimbrand Borras e-mail: [email protected]

RESUMEN: Los aceros inoxidables como

elementos base tienen hierro (Fe) y carbono (C), y como principales elementos aleantes el cromo (Cr), níquel (Ni), molibdeno (Mo) en porcentajes considerables. Con base en la investigación, estudios y laboratorios realizados a este tipo de material, la información referente al acero inoxidable refleja el estudio metalográfico realizado al mismo, dará a conocer tanto la composición de los elementos y compuestos distinguidos en cantidades determinadas, la micro estructura como el comportamiento de dicho material respecto a los distintos procesos ya realizados, además, por medio de la investigación se podrá distinguir y observar los diferentes tipos grano correspondientes, el objetivo final del riguroso estudio aplicado al material especifico acero inoxidable austenítico AISI (American Iron & Steel Institute)/SAE (Society of Automotive Engineers) 310 es ubicar un diagrama de fases en equilibrio según los resultados obtenidos y datos recolectados.[1]

PALABRAS CLAVE: Aceros inoxidables, acero

inoxidable austenítico AISI (American Iron & Steel Institute)/SAE (Society of Automotive Engineers) 310, cromo, estudio metalográfico.

1 INTRODUCCIÓN

Este trabajo fue realizado con base en el acero inoxidable austenítico AISI (American Iron & Steel Institute)/SAE (Society of Automotive Engineers) 310. El presente documento, producto de investigación, estudios y laboratorios nos permitirá determinar composición química, preparación metalográfica y micro estructura, diagrama de fases de equilibrio, propiedades mecánicas con sus respectivos valores, como tensión y dureza, aplicaciones, aspectos prácticos y ubicación en el mercado.

2 ACEROS INOXIDABLES

2.1 CARACTERÍSTICAS GENERALES

Históricamente, el acero inoxidable fue identificado

en inicios del siglo XX, por sus características brillante y resistente a la suciedad; en 1913 en Inglaterra, Brearley; un metalúrgico ingles creó una aleación con un porcentaje de carbono (C) de 9 hasta 16 porciento que patento en Inglaterra, Canadá y Estados Unidos

mientras en los Estados Unidos, Elwool Haynes por su parte combinaba aceros con cobalto (Co) y cromo (Cr), y cobalto (Co), cromo (Cr) y tungsteno (W) con porcentajes de composición en cromo (Cr) por encima del 10% y de cobalto (Co) por encima del 5%. Brearley también noto que la adición de cromo (Cr), cobre (Cu), molibdeno (Mo) y níquel (Ni) al acero (Fe-C), este reaccionaba generando superficies pulidas y anticorrosivas. También en este periodo se mejoran características mecánicas y de maquinabilidad, formulando los aceros inoxidables austeníticos, semiausteníticos y los martensíticos [2].

Los aceros inoxidables son una gama de aleación

que tienen como característica principal en composición un mínimo de 11% de cromo, la función de este elemento es formar en la superficie del acero una película pasivante, extremadamente delgada, continua y estable. Esta película deja la superficie inerte a las reacciones químicas. Esta es la característica principal de resistencia a la corrosión de los aceros inoxidables.

La selección de los aceros inoxidables puede

realizarse de acuerdo con sus características más severas: resistencia a la corrosión y a la oxidación a temperaturas elevadas, propiedades mecánicas del acero, características de los procesos de transformación a que será sometido. [3] Estos tienen una resistencia a la corrosión natural que se forma automáticamente, es decir, no se adiciona. Tienen una gran resistencia mecánica, de al menos dos veces la del acero al carbono, son resistentes a temperaturas elevadas y criogénicas. Son fáciles de transformar en gran variedad de productos y tiene apariencia estética, que puede variar con diferentes tratamientos superficiales.

Los aceros inoxidables están compuestos en su

mayoría por hierro (Fe), carbono (C) y metales blancos como: cromo (Cr) en un mínimo extremo de 10%, níquel (Ni), cinc (Zn) y molibdeno (Mo).

Sus múltiples utilidades se ven reflejadas en el

hogar; en cubertería y menaje, fregaderos, sartenes y baterías de cocina, hornos y barbacoas, equipamientos de jardín y mobiliario. Ciudad; paradas de autobús, cabinas telefónicas, fachadas de edificios, ascensores y escaleras, vagones de metro e infraestructura de las estaciones. Industria; productos alimentarios y farmacéuticos, plantas para tratamiento de aguas potables y residuales, plantas químicas y electro químicas, componentes para automoción y aeronáutica, depósitos de combustible y productos químicos.


2

Debemos también nombrar los tipos de acero

inoxidable catalogados como los son los ferríticos, martensiticos, austeníticos y dúplex.

Debemos tomar en cuenta que estadísticamente, la

producción de metales mundial se referencia como 93,62% hierro (Fe), 2,75% aluminio (Al), 1,72% cobre (Cu), 1% cinc (Zn), 0,72% plomo (Pb), 0,13% níquel (Ni), 0,04% magnesio (Mg), 0,03% estaño (Sn) para relacionarlo con costos en el mercado de 0 a 10, el bronce (Cu-Sn) cuesta 10, latón (Cu-Zn) 8.5, cobre (Cu) 8, AISI (American Iron & Steel Institute)/SAE (Society of Automotive Engineers) 316 (C-Fe-Si-Mn-Cr-P-Ni-S-Mo) 5.5, aluminio (Al) 5, AISI (American Iron & Steel Institute)/SAE (Society of Automotive Engineers) 304 (C-Fe-Si-Mn-Cr-P-Ni-S) 4.5, acero galvanizado (Fe-C-Zn) 2, acero (Fe-C) 1.25 y el vidrio (Si) 0.2.[4]

Mientras en producción se generan en toneladas

un 98% de aceros al carbono, los inoxidables cumplen un espacio de 2%, en el cual mundialmente frente a otros metales se produce un 19.2, en 23.1Al, 14.4Cu, 8.4Zn, 6.01Pb, 1.05Ni.

2.2 ALEANTES Y PROPIEDADES

Debemos tomar en cuenta que los metales en composición pura ofrecen pobres propiedades mecánicas, motivo por el cual se efectúan las aleaciones; las cuales pueden ser definidas como la mezcla de un metal base con otros elementos, ya sean metálicos o no metálicos, dentro de los aleantes estos se clasifican como gammágeos y alfágenos; los primeros encargados de estabilizar la austeníta durante el tratamiento térmico de recocido y los segundos estabilizadores de ferrita. El grupo de alfagenos contiene cromo (Cr), molibdeno (Mo), silicio (Si), titanio (Ti), niobio (Nb), vanadio (V), wolframio ((W) “tungsteno”), aluminio (Al) y tantalio (Ta). Mientras los gammágeos están compuestos por; níquel (Ni), carbono (C), cobalto (Co), nitrógeno (N), manganeso (Mg). [4]

Adición de molibdeno (Mo) mejora la resistencia a los cloruros (H

1Cl

-1) y en un porcentaje de

hasta 7% mejora la resistencia a corrosión por picadura.

Adición de cromo (Cr) mejora la resistencia a la corrosión de hasta los 650°C e varios ambientes.

Adición de silicio (Si) ofrece resistencia a la oxidación.

Adición de níquel (Ni) aumenta la resistencia a la corrosión intergranular.

Adición de titanio (Ti) aumenta la resistencia a la corrosión intergranular.

Adición de nitrógeno (N) aumenta la resistencia mecánica.

Adición de carbono (C) aumenta la resistencia mecánica.

Disminución de fosforo (P) para mejorar sus propiedades de resistencia mecánica.

Disminución de azufre (S) para mejorar sus propiedades de resistencia mecánica.

Algunos tratamientos superficiales que modelan su

apariencia son: acabados a espejo, satinado, coloreado, texturizado, etc. [5]

2.3 TIPOS DE ACERO INOXIDABLE

2.3.1 ACERO INOXIDABLE FERRÍTICO

También se consideran al cromo, su contenido

varia de 10,5% a 30%, pero el contenido de carbono es menor de 0,2%, presentan propiedades magnéticas y permiten ser tratados térmicamente por recocido. Los tipos más comunes son el AISI (American Iron & Steel Institute)/SAE (Society of Automotive Engineers) 430, 409 y 434; el AISI (American Iron & Steel Institute)/SAE (Society of Automotive Engineers) 430 no contiene níquel (Ni) y con una adición de cromo (Cr) y molibdeno (Mo) se convierte en súper ferrítico. Sus propiedades principales son una buena resistencia a la corrosión, la dureza no es muy alta y no puede ser incrementada por tratamiento térmico. Las principales aplicaciones son en equipos y utensilios domésticos y en aplicaciones arquitectónicas y decorativas. El acero usado para tubos de escape está compuesto de 0,08%C, 11%Cr, 0,75%Ti, 1%Mn, mientras el usado para válvulas a altas temperaturas se compone de 0,2%C, 25%Cr y 1,5%Mn. Pertenecen a la SERIE AISI (American Iron & Steel Institute)/SAE (Society of Automotive Engineers) 400, estos mantienen temperatura ferrítica estable desde temperatura ambiente hasta el punto de fusión, resistencia a la corrosión desde moderada hasta buena dependiendo de la cantidad de Cr y Mo. [6]

Endurecido normalmente por trabajo en frio,

presentan propiedades magnéticas y baja soldabilidad. El tratamiento por recocido agrega suavidad, ductilidad, pero debido a su pobre dureza, su uso se limita a procesos de formado en frio. Cuanta con aleaciones con Mo, Si, Al, Ti, Nb.

Los aceros y aleaciones en general se pueden

designar de acuerdo con las instrucciones dadas por AISI (American Iron & Steel Institute), ASTM (American Society for Testing and Materials) y SAE (Society of Automotive Engineers). [7]

Las normas de designación europea son EN

10027, clasificadas en EN 10027-1 para designación simbólica y 10027-2 para designación numérica.

La designación AISI (American Iron & Steel

Institute)/SAE (Society of Automotive Engineers) consta de 4 cifras. Las dos primeras indican el contenido de aleantes y las 2 segundas el carbono:

10XX aceros al carbono 13XX, 41XX, 43XX aceros aleados 41XX aceros aleados con Mn, Si, Mo, Cr 51XX aceros aleados con Mn, Si, C


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Las cifras tercera y cuarta (nnXX) indican el contenido en carbono multiplicado por 100.

1010 aceros al carbono con 0,1%C 4140 aceros aleados con 0,4%C 5160 aceros aleados con 0,6%C

2.3.2 ACERO INOXIDABLE MARTENSITICO

Son la primera rama de los aceros inoxidables, llamados simplemente al cromo y fueron los primeros desarrollados industrialmente. Tienen un contenido de cromo (Cr) de 12% a 18% y de carbono (C) relativamente alto de 0,2 a 1,2%. Cuenta con propiedades magnéticas y permiten un tratamiento térmico de temple, recocido y revenido. Los tipos más comunes son el AISI (American Iron & Steel Institute)/SAE (Society of Automotive Engineers) 410, 420 y 431. Tienen como propiedades básicas elevada dureza, endurecibles por tratamiento térmico y por tanto, pueden desarrollar altos niveles de resistencia mecánica, gran facilidad de maquinado, resistencia a la corrosión moderada, debido al alto contenido de carbono (C) es de pobre soldabilidad. Sus principales aplicaciones son en ejes, instrumentación quirúrgica y cuchillería. Algunos como los AISI (American Iron & Steel Institute)/SAE (Society of Automotive Engineers) 403 y 410 no contienen níquel (Ni) y cuentan con bajo nivel de cromo (Cr). El acero utilizado para cañones de rifles cuenta con 0,15%C, 12,5%Cr, 1%Mn; el utilizado para cuchillería e instrumental quirúrgico 0,7%C, 17%Cr, 0,75%Mo, 1%Mn. Pertenecen a la SERIE AISI (American Iron & Steel Institute)/SAE (Society of Automotive Engineers) /SAE 400. [8]

16Cr 2Ni, compuesto por 0,2%C, 16%Cr, 2%Ni,

ofrece resistencia mecánica de 95 kg/mm2 y una dureza

de 275 hasta 300 HB, pero con poca soldabilidad.

2.3.3 ACERO INOXIDABLE AUSTENÍTICO

Contienen un mínimo del 7% del compuesto gammágeo níquel (Ni) y no son magnéticos en su estado corriente, pero al endurecer por deformación para contener martensita adquieren magnetismo parcial. Los austeníticos pertenecen a las SERIES AISI (American Iron & Steel Institute)/SAE (Society of Automotive Engineers) /SAE 300 y 200;

Los primeros son los más utilizados por su amplia

variedad de propiedades, se obtienen agregando níquel (Ni), por lo que la estructura cristalina se transforma en austeníta y de aquí adquieren el nombre. El contenido de cromo varía de 16% a 28%, el níquel de 3,5% a 22% y el molibdeno 1,5% a 6%. Los tipos más comunes son el AISI (American Iron & Steel Institute)/SAE (Society of Automotive Engineers) 304, 304L, 316, 316L, 310 y 317.

Sus propiedades básicas son excelente resistencia a la corrosión, excelente factor de higiene – limpieza, fáciles de transformar, excelente soldabilidad, no se endurecen por tratamiento térmico, se pueden utilizar tanto a temperaturas elevadas como criogénicas, con la aleación Cr+Ni su ductilidad y tenacidad estará presente

hasta los 500°C; sus principales aplicaciones son en utensilios y equipos para uso domestico, hospitalario y en la industria alimentaria, como tanques, tuberías, entre otros. El usado en la industria alimentaria se compone de 0,08%C, 18%Cr, 8%Ni, 2%Mn; mientras para las estructuras soldadas se hace uso de 0,03%C, 17%Cr, 12%Ni, 2,5%Mo y 2%Mn. [9]

El acero AISI (American Iron & Steel Institute)/SAE

(Society of Automotive Engineers) 304 compuesto por 18-20%Cr, 8-10%Ni, también conocido como 18-8, 18Cr 8Ni, contiene un 0,18%C, 18%Cr, 8%Ni con resistencia mecánica de 60 kg/mm

2 y una dureza de 175 hasta 200

HB, resistiendo calor hasta los 400°C. Teniendo como base estas características y adicionando Cr y Ni se aumenta la resistencia mecánica y de corrosión, como los AISI (American Iron & Steel Institute)/SAE (Society f Automotive Engineers) 309, 310, 314, 330. Con una

adición mayor de Ni se mejora la resistencia a la corrosión en ambientes a elevadas temperaturas. Al aumentar el azufre (S) y el selenio (Se) se mejora la maquinabilidad; como estos tenemos el AISI (American Iron & Steel Institute)/SAE (Society of Automotive Engineers) 303 y el 303Se. Al incrementar el Mo aumenta la resistencia a la corrosión AISI (American Iron & Steel Institute)/SAE (Society of Automotive Engineers) 316, con mayor Mo mayor resistencia AISI (American Iron & Steel Institute)/SAE (Society of Automotive Engineers) 317, con adición de Ni, Mo y nitrógeno (N) para resistencia a la corrosión de superausteníticos. Disminuyendo la cantidad de C, mejoran la soldabilidad AISI (American Iron & Steel Institute)/SAE (Society of Automotive Engineers) 304L, 316L y 317L. Con incremento de titanio (Ti) mejoran aun más la soldabilidad AISI (American Iron & Steel Institute)/SAE (Society of Automotive Engineers) 321 y finalmente con adición de niobio (Nb) y tantalio (Ta) mejoran aun más la soldabilidad AISI (American Iron & Steel Institute)/SAE (Society of Automotive Engineers) 347. [10]

Extra suaves, compuestos por 13%Cr, 0,15%C

muy usados en elementos de maquinas, alabes de turbinas y válvulas; ofrece resistencia mecánica de hasta 80 kg/mm

2 y una dureza de 175 hasta 205 HB.

Cr-Mn, contiene 0,14%C, 11%Cr, 18%Mn, con

resistencia mecánica de 65 kg/mm2 y una dureza de 175

hasta 200 HB, soldable, amagnético y resistente a altas temperaturas.

También tenemos los AISI (American Iron & Steel

Institute)/SAE (Society of Automotive Engineers) SERIE 200, creados al final de la segunda guerra mundial en 1945, cuando a falta de níquel (Ni), las siderúrgicas decidieron disminuir la cantidad del material y sustituir su porcentaje por manganeso (Mn). La disminución se relaciona de un 8% a 1% Ni, aunque en un comienzo se deseaba la mayor similitud con el AISI (American Iron & Steel Institute)/SAE (Society of Automotive Engineers) 304, con el cambio de materiales en la microestructura, este pierde sus características anticorrosivas en gran medida, y es amagnético. El J4, una de las aleaciones más conocidas, producidas en el continente asiático, contiene en sus compuestos un 4%Ni, desde 16%Cr,


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hasta 0,08%C y hasta 0,005% S; 1%Ni, desde 15,5%Cr, hasta 0,1%C y 0,005% S. Para los AISI (American Iron & Steel Institute)/SAE (Society of Automotive Engineers) SERIE 200 con un incremento de Mn, N, y disminuyendo el Ni, aumenta la resistencia mecánica AISI (American Iron & Steel Institute)/SAE (Society of Automotive Engineers) 201 y 202.

Endurecidos por tratamiento en frio, formado en

sencillo y de fácil transformación, funcionales en temperaturas extremos. [11]

2.3.4 ACERO INOXIDABLE DÚPLEX

Compuestos por un rango de 20% hasta 30% Cr,

5% hasta 8% Ni, y carbono menor a 0,03%, no se pueden endurecer por tratamiento térmico, aunque resistentes a la corrosión por picadura y fractura en ambientes de cloruros (HCl) corrosivos, buen comportamiento bajo tensión, son compuestos por austeníta y ferrita en igual proporción. Estos, por medio de un incremento de Cr y disminución de Ni aumentan su resistencia mecánica. Uno de los más famosos de su clase es el AISI 2205 compuesto por 22%Cr y 5%Ni.

2.3.5 ACERO INOXIDABLE ENDURECIBLE POR PRECIPITACION

Compuestos por Cr y Ni, dependen de su

estructura en estado recocido; adicionando cobre (Cu), titanio (Ti) y aluminio (Al); disminuyendo Ni permitiendo el endurecimiento. AISI (American Iron & Steel Institute)/SAE (Society Of Automotive Engineers) 17-4; que por un tratamiento al calor aumenta su dureza. Es empleado ampliamente en el sector médico.

2.4 CORROSION

Los daños a la superficie como defectos, introducción de sustancias como polvo, suciedad, partículas de hierro, manchas de oxido, salpicaduras de soldadura, aceites y grasas, pinturas, adhesivos residuales, etc. Pueden debilitar el acero inoxidable e inicial la corrosión. Otros posibles causantes son los defectos de soldadura como: penetración incompleta, fusión incompleta y rajaduras; estas últimas posiblemente reparables por medio de desbastado y nueva aplicación. Los tipos de corrosión son intergranulares, galvánica, [12]

2.4.1 INTERGRANULARES

Causada por tratamiento térmico inadecuado o por la exposición a temperaturas entre 400°C y 800°C en un tiempo donde el Cr se combina con el C debilitando la película pasivante. Produciendo una retícula de carburos en los aceros con más de 0,03%C. En muchos casos puede ser reparado por recocido, calentando hasta disolver los carburos y templar enfriando con rapidez evitando que el carburo se precipite; también evitando hacer uso de acero con C de composición mayor a 0,03% y en otros casos, usando acero estabilizado,

donde el Ti y el Nb se combinan con el C para evitar precipitaciones.

2.4.2 GALVÁNICA

Ocasionada por contacto entre metales diferentes en una solución de alta conductibilidad para producir ataque galvánico, medio acuoso y humedad.

2.4.3 POTENCIAL ENTRE CÁTODO Y ÁNODO

Donde el metal con posición más alta respecto del otro, denominado cátodo y ánodo respectivamente, el cual genera una afectación sobre el segundo.

2.4.4 POLARIZACIÓN

Cuando se depositan los gases liberados por la corriente, variando la superficie pasiva a activa, acelerando la corrosión.

2.4.5 ÁREAS RELATIVAS Y RELACIÓN GEOMÉTRICA

Cuando el ánodo tiene pequeña área superficial respecto al cátodo, o un borde o esquina está en contacto con el centro de la gran superficie.

2.4.6 POR CONTACTO

Causado por incrustación de partículas de acero al carbono, escamas de oxido, cobre (Cu) u otra sustancia extraña incrustada puede destruir la superficie pasiva.

2.4.7 PICADA O PINCHAZOS

En forma de pinchazos de alfiler, causado por cloruros. 2.7.8 POR FATIGA

Causado por someterse a tensión en medio corrosivo critico.

3 AISI/SAE 310 Se denomina “refractario” para indicar las elevadas características de resistencia a la corrosión, oxidación hasta 1000°C, conservación de propiedades mecánicas hasta los 1100°C y resistencia mecánica que demuestra en caliente; ello es consecuencia de los elevados contenidos de cromo (Cr) y níquel (Ni) presentes en la aleación junto con bajos porcentajes de carbono (C), permitiendo obtener valores de fluencia relativamente elevados. Presenta una buena aptitud a la deformación en frio, insensible al resquebrajamiento a la alta temperatura. Tiene un uso limitado en presencia de gases sulfúricos. Su aplicación se da en procesos que requieran resistencia al fenómeno de “escamado”, que se da en hornos, calderas, cámaras de combustión y hornos para tratamiento térmico de aceros. [13]


5

Fig. 1, Composicion del AISI 310 S.[6]

3.1 COMPOSICIÓN QUIMICA

3.1.1 COMPOSICIÓN QUÍMICA EXPERIMENTAL

0,043% carbono (C), 0,646% silicio (Si), 1,58% manganeso (Mn), 0,01% fosforo (P), 0,001% azufre (S), 24,17% cromo (Cr), 0,038% molibdeno (Mo), 19,16% níquel (Ni), 0,034% cobre (Cu). Composición química teórica <0,08% carbono (C), 24-26% cromo (Cr), 19-22% niquel (Ni), 0,03% azufre (S), <2% manganeso (Mn), <1,5% silicio (Si).

3.2 DIAGRAMA DE FASES

Una fase es una porción de micro estructura homogénea desde el punto de vista químico y estructural. Un componente es cada una de las distintas sustancias de las cuales está formada la fase. Los grados de libertad son el número de variables independientes del sistema. Un diagrama de fases es cualquier representación grafica de las variables de estado asociadas con las microestructuras a través de la regla de las fases de Gibbs. El límite superior de la región de coexistencia de dos fases recibe el nombre de liquidus y el límite inferior de la zona bifásica se conoce con el nombre de sólidus. La reacción eutectoide corresponde a la transformación durante el enfriamiento de un líquido con la composición eutéctica en dos fases

solidas con una microestructura caracterizada por un tamaño de grano relativamente fino. [14]

Fig.2, Diagrama de fases binario Fe-Cr. [5]

Fig.3, Diagrama de fases binario Fe-C. [13]

Fig.4, Diagrama de fases binario Fe-Ni. [5]

3.3 MICROESTRUCTURAS


6

Fig.5, Fotomicrografía de AISI (American Iron & Steel Institute)/SAE (Society of Automotive Engineers) 310

x100.


x200.


x500.

3.4 PROPIEDADES MECANICAS 3.4.1 ENSAYO DE TRACCION

El resultado inmediato de un ensayo de este tipo es la curva carga-alargamiento; al normalizar los datos de la figura en función de la geometría de la probeta, se obtiene una información más general acerca del material. La curva resultante tensión-deformación. La fluencia se puede definir como la deformación

plástica permanente que tiene lugar a temperatura elevada bajo carga constante y durante un periodo largo de tiempo.

Fig.8, Esquema de herramientas usadas en el ensayo de

tracción. [1]

Tabla 1. Datos del ensayo de tracción para AISI (American Iron & Steel Institute)/SAE (Society of

Automotive Engineers) 310.

3.4.2 ENSAYO DE DUREZA

El ensayo de dureza indica la resistencia del material a la penetración de forma cualitativa. Los índices de dureza empíricos se calculan a partir de formulas adecuadas que emplean medidas de la geometría de la huella creada por la indentación. Las medidas de micro dureza se realizan con la ayuda de un microscopio de gran potencia. El poder correlacionar la dureza con la profundidad de penetración permite mostrar convenientemente el valor de dureza en una pantalla analógica o en un aparato digital. [15]


7

Fig. 9, Ensayo de dureza. [1]

Se denomina dureza Brinell a la medición de

la dureza de un material mediante el método de indentación, midiendo la penetración de un objeto en el material a estudiar. Fue propuesto por el ingeniero sueco Johan August Brinell en 1900, siendo el método de dureza más antiguo. Este ensayo se utiliza en materiales blandos (de baja dureza) y muestras delgadas. El indentador usado es una bola de acero templado de diferentes diámetros. Para los materiales más duros se usan bolas de carburo de tungsteno. En el ensayo típico se suele utilizar una bola de acero de 10 a 12 milímetros de diámetro, con una fuerza de 3000 kilopondios. El valor medido es el diámetro del casquete en la superficie del material. Dureza Brinell del AISI 310 145 – 190 HB.

Los ensayos Vickers son pruebas de microdureza;

producen penetraciones tan pequeñas que se requiere de un microscopio para obtener su medición utilizando una pirámide de diamante, con una fuerza de 10 kilopondios.

Dureza de superficie: 169 (HV30). Dureza transversal: 150,7 (HV30).

4 LABORATORIOS

4.1 Ensayo de tensión

Mide la resistencia de un material a una fuerza estática o gradualmente aplicada.

Una probeta típica tiene un diámetro de ¾in y una

longitud de 4in. La probeta se coloca en la máquina de pruebas y se le aplica una fuerza, que se conoce como carga. Para medir el alargamiento del material causado por la aplicación de fuerza en la longitud calibrada se utiliza un extensómetro.

Fig. 10, Mediante un cabezal movil, en la prueba de

tension se aplica una fuerza unidireccional a una probeta, esto se denomina ensayo de Esfuerzo-

Deformacion.[2] Una probeta luego del ensayo de tracción sufre un

alargamiento de su longitud, este alargamiento es conocido como la Deformación y el Esfuerzo es toda la presión ejercida por la maquina suficiente para lograr una ruptura de la probeta.

Fig. 11, Probeta de traccion normalizada con

seccion recta circular.[3] Durante el ensayo, la deformación está confinada

en la región más estrecha del centro, la cual tiene una sección uniforme a lo largo de su longitud. El diámetro normalizado es aproximadamente ½in mientras que la longitud de la sección reducida debe ser igual a por lo menos cuatro veces su diámetro. La longitud de prueba se utiliza en el cálculo de la ductilidad.

La probeta se monta con sus extremos en las

mordazas de la máquina de ensayos. Esta se diseña para alargar la probeta a una velocidad constante y para medir continua y simultáneamente la carga instantánea aplicada (con una celda de carga) y el alargamiento resultante.

El ensayo dura varios minutos y es destructivo, o

sea; la probeta del ensayo es deformada de forma permanente y a menudo rota.

El resultado del ensayo de tracción se registra

como carga en función del alargamiento. Estas características de carga-deformación dependen del tamaño de la probeta. Por ejemplo, se requerirá el doble de carga para producir el mismo alargamiento si el área de la sección de la probeta se duplica.[16]


8

Fig. 12, Curva esfuerzo-deformacion correspondiente a una aleacion de aluminio. Propiedades obtenidas del

ensayo de tension.[2]

4.1.1 ESFUERZO-DEFORMACIÓN (O/E)

Para un material dado, los resultados de un ensayo

son aplicables a todo tamaño y forma de muestras, si se convierte la fuerza en esfuerzo y la distancia entre marcas calibradas en deformación. El esfuerzo y la deformación se definen mediante las ecuaciones siguientes:

Carga Esfuerzo = ----------------- (psi)

Área inicial (1) Longitud final – longitud inicial Deformación = ------------------------------------------ (in/in)

Longitud inicial (2) Ec. (1), Donde Área inicial es el área original de la

sección transversal de la probeta antes de iniciarse el ensayo.

Ec. (2), Donde Longitud inicial es la distancia

original entre marcas calibradas y Longitud final es la distancia luego de la aplicación de la fuerza.

4.1.2 MÓDULO DE ELASTICIDAD (E)

El módulo de elasticidad o de Young es la pendiente de la curva esfuerzo-deformación en su región elástica. Esta relación es la ley de Hooke Ec. (3).

Esfuerzo Módulo de elasticidad = ------------------

Deformación (3) Este módulo está íntimamente relacionado con la

energía de enlace de los átomos. Una pendiente muy acentuada o abrupta indica

que se requiere de grandes fuerzas para separar los átomos y hacer que el material se deforme elásticamente.

El módulo es una medida de la rigidez del material.

4.1.3 ESFUERZO DE CEDENCIA

Es el esfuerzo al cual la deformación plástica se

hace importante. En los metales, es por lo general el esfuerzo

requerido para que las dislocaciones se deslicen. Es por tanto, el esfuerzo que divide los

comportamientos elástico y plástico del material. Para ubicarlo, se traza una línea paralela a la

porción inicial de la curva esfuerzo-deformación, per desplazada a 0,002 in/in (0,2%) del origen. El esfuerzo de cedencia convencional de 0,2% es el esfuerzo al cual dicha línea interseca la curva esfuerzo-deformación.

Fig. 13, Determinacion del limite elastico

convencional al 0,2% de deformación en el hierro fundido gris.[2]

4.1.4 RESISTENCIA A LA TENSION

El esfuerzo obtenido de la fuerza más alta aplicada

es la resistencia a la tensión, que es el esfuerzo máximo sobre la curva esfuerzo-deformación.

En muchos materiales dúctiles, la deformación no

se mantiene uniforme, en cierto momento, una región se deforma más que otras y ocurre una reducción local de importancia en la sección recta. Esta región localmente deformada se conoce como zona de estricción, limite elástico o encuellamiento. Dado que el área de la sección transversal en este punto se hace más pequeña se requiere una fuerza menor para continuar su deformación. [17]


9

Fig. 14, Diagrama de encuellamiento. [2]

4.1.5 MODULO DE RESISTENCIA (Er)

Es el area que aparece bajo la porción elástica de

la curva esfuerzo/deformación, es la energia elastica que un material absorbe o libera durante la aplicación y la liberacion de la carga aplicada respectivamente.

Módulo de resistencia = ½*(esfuerzo de

cedencia)*(deformación de la cedencia) (4)

4.1.6 RELACIÓN DE POISSON

Relaciona la deformación elástica longitudinal

producida por un esfuerzo simple a tensión o compresión, con la deformación lateral que ocurre simultáneamente:

-deformación lateral

0,3 ≈ ------------------------------------- Deformación longitudinal (5)

4.1.7 DUCTILIDAD

Mide el grado de deformación que puede soportar

un material sin romperse. (Marcas en la probeta antes y después) el porcentaje de elongación representa la distancia de alargamiento plástico de la probeta antes de la fractura.

Longitud final – Longitud inicial

% de elongación =----------------------------------------- x100 Longitud inicial (6) Otro método es calcular el cambio porcentual en el

área de la sección transversal en el punto de fractura antes y después del ensayo.

Área final – Área inicial

% de elongación =---------------------------------- x100 Área inicial (7)

4.1.8 FRACTURA

Fractura moderadamente dúctil después de cierta

estricción.

4.1.9 MÓDULO DE RESILIENCIA (Ur) [18]

Ur = O2 / 2E (8)

4.2 DATOS F (N-lb) 6894Pa=psi load

Esfuerzo = ----------- = =------- Ao (m

2-in

2) Ao (8)

Lf –Lo (m-in) stoke

Deformación = ----------------- = --------- Lo (m-in) Lo (9)

Lo = 0,10m Ao = r

2 x pi = (3/4 x ½ )

2x pi = 2.85x10

-4m

2

Tf = 9806,65 N

4.2.1 AISI 1020-1

Tabla 2, Datos ensayo de tracción.

T

(x200ms)

Stroke

(mx10-3)

Load

(tf) O (MPa) E

(m/mx10-3)

1 0 0,030 1,032 0

101 1,836 0,168 46,954 18,36

201 3,500 0,414 115,708 35,00

301 5,168 0,776 216,883 51,68

401 6,832 2,234 624,379 68,32

501 8,580 4,972 1389,621 85,80

601 10,328 8,444 2360,009 103,28

701 12,076 12,530 3502,003 120,76

801 13,908 16,320 4561,269 139,08

901 15,574 17,780 4969,323 155,74

1001 17,242 18,480 5164,966 172,42

1101 18,992 18,785 5250,210 189,92

1201 20,660 18,915 5286,544 206,60

1301 22,408 18,995 5296,326 224,08

1401 24,158 18,935 5292,134 241,58

1501 25,912 18,650 5212,479 259,12

1601 27,746 18,120 5064,045 277,46

1701 29,580 17,260 5023,824 295,80

1801 31,248 15,975 4464,845 312,48

1901 32,914 14,340 4007,879 329,14

1966 33,084 12,950 3619,389 330,84


10

Fig. 15, Grafica esfuerzo- deformación AISI 1020.1.

% de elongación ≈ 33% Er = 316 Ur = 1,44x10

6

E = 65331,464 Resistencia a la tensión (224, 5296) Resiliencia = 169721,688 KPaxm/m Limite elástico (139, 4561) O de ruptura (330, 3619)

4.2.2 AISI 1020-2


T (x200ms)

Stroke (mx10-3)

Load (tf)

O (MPa) E

(m/mx10-3)

1 0 0,030 8,384 0

101 1,666 0,382 106,764 16,66

201 3,414 1,744 487,429 34,14

301 5,082 3,816 1066,532 50,82

401 6,830 6,580 1839,041 68,30

501 8,494 9,745 2723,625 84,94

601 10,326 13,230 3697,646 103,26

701 11,994 14,925 4171,381 119,94

801 13,658 15,820 4421,524 136,58

901 15,326 16,395 4582,230 153,26

1001 16,996 16,665 4657,692 169,98

1101 18,662 16,760 4684,244 186,62

1201 20,326 16,780 4689,834 203,26

1301 22,078 16,785 4691,231 220,78

1401 23,746 16,770 4687,039 237,46

1501 25,412 16,600 4639,526 254,12

1601 27,080 16,235 4537,512 270,80

1701 28,746 15,465 4322,305 287,46

1801 30,414 14,165 3958,969 304,14

1868 31,636 12,505 3495,016 316,36

Fig. 16, Grafica esfuerzo- deformación AISI 1020.2.

% de elongación ≈ 31,6% Er = 190,395 Ur = 66,348x10

6

E = 58534,915 Resistencia a la tensión (220, 4691) Resiliencia = 133094,059 KPaxm/m Limite elástico (103, 3697) O de ruptura (316, 3495)

4.2.3 AISI 1040


T (x200ms)

Stroke (mx10-3)

Load (tf)

O (MPa) E

(m/mx10-3)

1 0 0,030 8,384 0

101 1,750 0,372 103,970 17,50

201 3,500 1,226 342,654 35,00

301 5,246 2,966 828,965 52,46

401 6,994 5,630 1573,526 69,94

501 8,826 8,998 2514,846 88,26

601 10,658 12,380 3460,080 106,58

701 12,406 14,915 4168,586 124,06

801 14,154 16,795 4694,026 141,54

901 15,904 17,995 5029,414 159,04

1001 17,572 18,640 5209,684 175,72

1101 19,320 19,135 5348,032 193,20

1201 20,986 19,535 5459,827 209,86

1301 22,820 19,890 5559,046 228,20

1401 24,654 20,155 5633,111 246,54

1501 26,320 20,255 5661,060 263,20

1601 27,986 20,390 5698,791 279,86

1701 29,656 20,485 5725,342 296,56

1801 31,408 20,395 5700,188 314,08

1901 33,078 19,855 5549,264 330,78


11

Fig. 17, Grafica esfuerzo- deformación AISI 1040.

% de elongación ≈ 33% Er = 258,416 Ur = 66,728x10

6

E = 515957 Resistencia a la tensión (296, 5725) Resiliencia = 182128,552 KPaxm/m Limite elástico (124, 4168) O de ruptura (330, 5549)

5 REFERENCIAS [1] James F. Shackelford, Introducción a la ciencia de materiales,

Sexta ed. España: Pearson, 2005.

[2] Donald R. Askeland, Ciencia e ingenieria de los materiales,

Tercera ed.: Thomson, 1999.

[3] Jr. William D. Callister, Introduccion a la ciencia e ingenieria de

los materiales.: Reverté.

[4] William F. Smith, Fundamentos de la ciencia e ingenieria de materiales, Tercera ed. Madrid, España: Mc Graw Hill.

[5] ASM HANDBOOK, Alloy phase diagrams, The materials

information company, Ed.: ASM International, 1992, vol. 3.

[6] S.A., Cia. General de Aceros, "Aceros Inoxidables Austeniticos,"

Cia. General de Aceros S.A., Bogotá, Tecnico.

[7] Cia. General de Aceros S.A., "Inoxtec Brochure," Inoxtec, Cia. General de Aceros S.A., Bogotá, Técnico.

[8] Cia. General de Aceros S.A., "Aceros Inoxidables," Cia. General

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[12] Grupo Voestalpine. Böhler Welding Group. [Online]. HYPERLINK "http://www.bohlerweldinggroup.com.ar"

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[13] Universidad Tecnologica de Pereira. Universidad Tecnologica de

Pereira. [Online]. HYPERLINK "http://www.utp.edu.co"

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[14] Elegant Themes. Aceroinoxidable.net. [Online]. HYPERLINK

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[15] (2008, Mar.) Textoscientificos.com. [Online]. HYPERLINK

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[16] Universidad Tecnologica de Pereira. Metalografia-Universidad

Tecnologica de Pereira. [Online]. HYPERLINK

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[17] Julio Correa. (2007) Apuntes técnicos para todos. [Online]. HYPERLINK "http://juliocorrea.wordpress.com"

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[18] Pontificia Universidad Católica de Chile. (1999, Apr.) Diseño mecanico I. [Online]. HYPERLINK "http://www2.ing.puc.cl"

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