Aceros
Los aceros son aleaciones de hierro y carbono que pueden contener concentraciones apreciables de otros elementos de aleación. Agregar una pequeña cantidad de carbono no metálico al hierro cambia su gran ductilidad por una mayor ductilidad. Debido a su muy alta resistencia, pero aún una dureza sustancial, y su capacidad para ser alterada en gran medida por el tratamiento térmico, el acero es una de las aleaciones ferrosas más útiles y comunes en el uso moderno. Existen miles de aleaciones que tienen diferentes composiciones y / o tratamientos térmicos. Las propiedades mecánicas son sensibles al contenido de carbono, que normalmente es inferior al 1,0% en peso. Según la clasificación AISI, el acero al carbono se divide en cuatro clases según el contenido de carbono.
Tipos de aceros: clasificación basada en la composición
- Aceros bajos en carbono. El acero con bajo contenido de carbono, también conocido como acero dulce, es ahora la forma más común de acero porque su precio es relativamente bajo y proporciona propiedades materiales que son aceptables para muchas aplicaciones. El acero con bajo contenido de carbono contiene aproximadamente entre un 0,05 y un 0,25% de carbono, lo que lo hace maleable y dúctil. El acero dulce tiene una resistencia a la tracción relativamente baja, pero es barato y fácil de formar; la dureza de la superficie se puede aumentar mediante la carburación. Las aplicaciones típicas incluyen componentes de carrocería de automóviles, formas estructurales (p. Ej., Vigas en I, canales y ángulos de hierro) y láminas que se utilizan en tuberías y edificios. Por ejemplo, acero A36 es un acero estructural común en los Estados Unidos. Las láminas de acero con bajo contenido de carbono utilizadas para aplicaciones de carrocería de automóviles, por ejemplo, se someten a una variedad de operaciones de conformado, incluida la embutición profunda. Las microestructuras constan de componentes de ferrita y perlita. Como consecuencia, estas aleaciones son relativamente blandas y débiles, pero tienen una ductilidad y tenacidad sobresalientes. Además, son mecanizables, soldables y, de todos los aceros, son los menos costosos de producir. La densidad de este metal es 7861,093 kg/m³ (0,284 lb/in³) y la resistencia a la tracción es un máximo de 500 MPa (72500 psi).
- Aceros Medio Carbono. El acero con contenido medio de carbono tiene aproximadamente un 0,3–0,6% de contenido de carbono. Estas aleaciones pueden tratarse térmicamente mediante austenización, temple y luego revenido para mejorar sus propiedades mecánicas. Se utilizan con mayor frecuencia en estado templado, con microestructuras de martensita templada. El acero de carbono medio equilibra la ductilidad y la resistencia y tiene una buena resistencia al desgaste. Este grado de acero se utiliza principalmente en la producción de componentes de máquinas, ejes, ejes, engranajes, cigüeñales, acoplamientos y forjas, también podría utilizarse en rieles y ruedas de ferrocarril y otras piezas de máquinas y componentes estructurales de alta resistencia que requieran una combinación de alta resistencia, resistencia al desgaste y tenacidad. Por ejemplo, un El acero 1040 es un acero al carbono simple que contiene 0,40% en peso C. Los usos típicos de este tipo de acero incluyen pernos de máquina, arado y carruaje, alambre de amarre, espárragos de culata y piezas mecanizadas, pernos en U, varillas de refuerzo de hormigón, forjas.
- Aceros con alto contenido de carbono . El acero con alto contenido de carbono tiene aproximadamente un 0,60 a un 1,00% de contenido de carbono. La dureza es más alta que los otros grados pero la ductilidad disminuye. Casi siempre se utilizan en un estado endurecido y revenido y, como tales, son especialmente resistentes al desgaste y capaces de sostener un filo afilado. Por lo tanto, los aceros con alto contenido de carbono podrían usarse para resortes, cables de alambre, martillos, destornilladores, llaves inglesas y cuchillos. La serie 10xx (por ejemplo, acero 1095) es la opción más popular para el acero al carbono utilizado en cuchillos y katanas. Acero al carbono AISI 1095 es frágil y tiene una gran dureza y resistencia. El acero 1095, cuando se usa en cuchillos, tiene un gran filo y es muy fácil de afilar. Sin embargo, las propiedades de este tipo de acero le dan una tendencia a oxidarse fácilmente si no se aceita y se cuida deliberadamente.
- Aceros con alto contenido de carbono. El acero con alto contenido de carbono tiene aproximadamente un 1,25% a un 2,0% de contenido de carbono. Aceros templables hasta gran dureza. Este grado de acero podría usarse para productos de acero duro, como resortes de camiones, herramientas de corte de metal y otros propósitos especiales como cuchillos, ejes o punzones (de uso no industrial). La mayoría de los aceros con más del 2,5% de contenido de carbono se fabrican mediante pulvimetalurgia.
Propiedades del acero dulce frente al acero medio frente al alto contenido de carbono
Las propiedades de los materiales son propiedades intensivas, lo que significa que son independientes de la cantidad de masa y pueden variar de un lugar a otro dentro del sistema en cualquier momento. La base de la ciencia de los materiales consiste en estudiar la estructura de los materiales y relacionarlos con sus propiedades (mecánicas, eléctricas, etc.). Una vez que un científico de materiales conoce esta correlación estructura-propiedad, puede pasar a estudiar el rendimiento relativo de un material en una aplicación determinada. Los principales determinantes de la estructura de un material y, por tanto, de sus propiedades son sus elementos químicos constituyentes y la forma en que se ha procesado hasta su forma final.
Densidad de acero dulce frente a acero medio frente a acero con alto contenido de carbono
La densidad del acero típico es de 8,05 g/cm3.
La densidad se define como la masa por unidad de volumen. Es una propiedad intensiva, que se define matemáticamente como masa dividida por volumen:
ρ = m / V
En palabras, la densidad (ρ) de una sustancia es la masa total (m) de esa sustancia dividida por el volumen total (V) ocupado por esa sustancia. La unidad estándar del SI es kilogramos por metro cúbico (kg/m3). La unidad de inglés estándar es libras de masa por pie cúbico (lbm/ft3).
Dado que la densidad (ρ) de una sustancia es la masa total (m) de esa sustancia dividida por el volumen total (V) ocupado por esa sustancia, es obvio que la densidad de una sustancia depende en gran medida de su masa atómica y también de la densidad del número atómico (N; átomos/cm3),
- Peso atómico. La masa atómica es transportada por el núcleo atómico, que ocupa sólo alrededor de 10-12 del volumen total del átomo o menos, pero contiene toda la carga positiva y al menos el 99,95% de la masa total del átomo. Por lo tanto, está determinado por el número de masa (número de protones y neutrones).
- Densidad del número atómico. La densidad del número atómico (N; átomos/cm3), que está asociada con los radios atómicos, es el número de átomos de un tipo dado por unidad de volumen (V; cm3) del material. La densidad del número atómico (N; átomos/cm3) de un material puro que tiene un peso atómico o molecular (M; gramos/mol) y la densidad del material (⍴; gramos/cm3) se calcula fácilmente a partir de la siguiente ecuación utilizando el número de Avogadro (NA = 6,022×1023 átomos o moléculas por mol):
- Estructura cristalina. La densidad de la sustancia cristalina se ve afectada significativamente por su estructura cristalina. La estructura de FCC, junto con su relativo hexagonal (hcp), tiene el factor de empaque más eficiente (74%). Los metales que contienen estructuras de FCC incluyen austenita, aluminio, cobre, plomo, plata, oro, níquel, platino y torio.
Propiedades mecánicas del acero dulce frente a acero medio frente a acero con alto contenido de carbono
Los materiales se eligen con frecuencia para diversas aplicaciones porque tienen combinaciones deseables de características mecánicas. Para aplicaciones estructurales, las propiedades de los materiales son cruciales y los ingenieros deben tenerlas en cuenta.
Resistencia del acero dulce frente al medio frente al acero con alto contenido de carbono
En mecánica de materiales, la resistencia de un material es su capacidad para soportar una carga aplicada sin fallas ni deformaciones plásticas. La resistencia de los materiales básicamente considera la relación entre las cargas externas aplicadas a un material y la deformación resultante o cambio en las dimensiones del material. La resistencia de un material es su capacidad para soportar esta carga aplicada sin fallas ni deformaciones plásticas.
Resistencia a la tracción
La resistencia máxima a la tracción del acero con bajo contenido de carbono se encuentra entre 400 y 550 MPa.
La máxima resistencia a la tracción del acero con alto contenido de carbono es de 1100 MPa.
La máxima resistencia a la tracción es la máxima en la curva de ingeniería de tensión-deformación. Esto corresponde a la tensión máxima que puede ser sostenido por una estructura en tensión. La resistencia máxima a la tracción a menudo se reduce a «resistencia a la tracción» o incluso a «máxima». Si se aplica y se mantiene esta tensión, se producirá una fractura. A menudo, este valor es significativamente mayor que el límite elástico (entre un 50 y un 60 por ciento más que el rendimiento para algunos tipos de metales). Cuando un material dúctil alcanza su máxima resistencia, experimenta un estrechamiento donde el área de la sección transversal se reduce localmente. La curva tensión-deformación no contiene una tensión mayor que la resistencia máxima. Aunque las deformaciones pueden seguir aumentando, la tensión suele disminuir después de que se ha alcanzado la resistencia máxima. Es una propiedad intensiva; por lo tanto, su valor no depende del tamaño de la muestra de prueba. Sin embargo, depende de otros factores, como la preparación de la muestra, temperatura del entorno de prueba y del material. Las resistencias a la tracción máxima varían desde 50 MPa para un aluminio hasta 3000 MPa para aceros de muy alta resistencia.
Límite de elasticidad
El límite elástico del acero con bajo contenido de carbono es de 250 MPa.
El límite elástico del acero con alto contenido de carbono es de 800 MPa.
El punto de fluencia es el punto en una curva de tensión-deformación que indica el límite del comportamiento elástico y el comportamiento plástico inicial. Límite de elasticidad es la propiedad del material definida como el esfuerzo en el que un material comienza a deformarse plásticamente, mientras que el límite elástico es el punto donde comienza la deformación no lineal (elástica + plástica). Antes del límite elástico, el material se deformará elásticamente y volverá a su forma original cuando se elimine la tensión aplicada. Una vez superado el límite elástico, una parte de la deformación será permanente e irreversible. Algunos aceros y otros materiales exhiben un comportamiento denominado fenómeno de límite elástico. Los límites de elasticidad varían de 35 MPa para un aluminio de baja resistencia a más de 1400 MPa para aceros de muy alta resistencia.
Módulo de Young
El módulo de Young del acero con bajo contenido de carbono es de 200 GPa.
El módulo de Young es el módulo elástico para esfuerzos de tracción y compresión en el régimen de elasticidad lineal de una deformación uniaxial y generalmente se evalúa mediante ensayos de tracción. Hasta una tensión límite, un cuerpo podrá recuperar sus dimensiones al retirar la carga. Las tensiones aplicadas hacen que los átomos de un cristal se muevan desde su posición de equilibrio. Todos los átomos se desplazan en la misma cantidad y aún mantienen su geometría relativa. Cuando se eliminan las tensiones, todos los átomos vuelven a sus posiciones originales y no se produce ninguna deformación permanente. Según la ley de Hooke, la tensión es proporcional a la deformación (en la región elástica) y la pendiente es el módulo de Young. El módulo de Young es igual a la tensión longitudinal dividida por la deformación.
Dureza del acero dulce frente al medio frente al acero con alto contenido de carbono
La dureza Brinell del acero con bajo contenido de carbono es de aproximadamente 120 MPa.
La dureza Brinell del acero con alto contenido de carbono es de aproximadamente 200 MPa.
La prueba de dureza Rockwell es una de las pruebas de dureza por indentación más comunes, que se ha desarrollado para las pruebas de dureza. A diferencia de la prueba de Brinell, el probador Rockwell mide la profundidad de penetración de un penetrador bajo una carga grande (carga mayor) en comparación con la penetración realizada por una precarga (carga menor). La carga menor establece la posición cero. Se aplica la carga principal y luego se retira mientras se mantiene la carga menor. La diferencia entre la profundidad de penetración antes y después de la aplicación de la carga principal se utiliza para calcular el número de dureza Rockwell. Es decir, la profundidad de penetración y la dureza son inversamente proporcionales. La principal ventaja de la dureza Rockwell es su capacidad para mostrar los valores de dureza directamente. El resultado es un número adimensional anotado como HRA, HRB, HRC, etc., donde la última letra es la escala de Rockwell respectiva.
La prueba Rockwell C se realiza con un penetrador Brale (cono de diamante de 120°) y una carga mayor de 150 kg.
Propiedades térmicas del acero dulce frente a acero medio frente a acero con alto contenido de carbono
Las propiedades térmicas de los materiales se refieren a la respuesta de los materiales a los cambios de temperatura y a la aplicación de calor. A medida que un sólido absorbe energía en forma de calor, su temperatura aumenta y sus dimensiones aumentan. Pero los diferentes materiales reaccionan a la aplicación de calor de manera diferente.
La capacidad calorífica, la expansión térmica y la conductividad térmica son propiedades que a menudo son críticas en el uso práctico de sólidos.
Punto de fusión del acero dulce frente al medio frente al acero con alto contenido de carbono
El punto de fusión del acero con bajo contenido de carbono es de alrededor de 1450°C.
En general, la fusión es un cambio de fase de una sustancia de la fase sólida a la líquida. El punto de fusión de una sustancia es la temperatura a la que se produce este cambio de fase. El punto de fusión también define una condición en la que el sólido y el líquido pueden existir en equilibrio.
Conductividad térmica del acero dulce frente al medio frente al acero con alto contenido de carbono
La conductividad térmica del acero típico es de 20 W/(mK).
Las características de transferencia de calor de un material sólido se miden mediante una propiedad llamada conductividad térmica, k (o λ), medida en W/mK. Es una medida de la capacidad de una sustancia para transferir calor a través de un material por conducción. Tenga en cuenta que la ley de Fourier se aplica a toda la materia, independientemente de su estado (sólido, líquido o gas), por lo tanto, también se define para líquidos y gases.
La conductividad térmica de la mayoría de los líquidos y sólidos varía con la temperatura. Para los vapores, también depende de la presión. En general:
La mayoría de los materiales son casi homogéneos, por lo que normalmente podemos escribir k = k (T). Se asocian definiciones similares con las conductividades térmicas en las direcciones y y z (ky, kz), pero para un material isótropo, la conductividad térmica es independiente de la dirección de transferencia, kx = ky = kz = k.
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