Acero para herramientas – Densidad – Resistencia – Dureza – Punto de fusión

Acerca del acero para herramientas

El acero para herramientas se refiere a una variedad de aceros al carbono y aleados que son particularmente adecuados para convertirse en herramientas (punzones, matrices, moldes, herramientas para cortar, cortar, moldear, estirar, dirigir y cortar herramientas). Su idoneidad proviene de su distintiva dureza , resistencia a la abrasión y deformación, y su capacidad para sostener un filo a temperaturas elevadas. Con un contenido de carbono entre 0,5% y 1,5%, los aceros para herramientas se fabrican en condiciones cuidadosamente controladas para producir la calidad requerida. La presencia de carburos en su matriz juega un papel dominante en las cualidades del acero para herramientas.

Generalmente se agrupan en dos clases:

• Aceros al carbono simples que contienen un alto porcentaje de carbono, aproximadamente 0,80-1,50%
• Aceros para herramientas de aleación , en los que se agregan otros elementos (cromo, molibdeno, vanadio, tungsteno y cobalto) para proporcionar mayor resistencia, tenacidad, corrosión y resistencia al calor del acero.

Uno de los subgrupos de aceros para herramientas son los aceros de alta velocidad (HSS), que fueron nombrados principalmente por su capacidad para mecanizar y cortar materiales a altas velocidades (alta dureza en caliente). Se utiliza a menudo en hojas de sierra eléctrica y brocas. Este grupo de aceros para herramientas se describe en un artículo separado.

Agentes de aleación en aceros de aleación para herramientas

El hierro puro es demasiado blando para ser utilizado con fines de estructura, pero la adición de pequeñas cantidades de otros elementos (carbono, manganeso o silicio, por ejemplo) aumenta en gran medida su resistencia mecánica . El efecto sinérgico de los elementos de aleación y el tratamiento térmico produce una enorme variedad de microestructuras y propiedades. Los cuatro elementos de aleación principales que forman carburos en el acero para herramientas y matrices son: tungsteno, cromo, vanadio y molibdeno. Estos elementos de aleación se combinan con el carbono para formar compuestos de carburo muy duros y resistentes al desgaste.

• Tungsteno . Produce carburos estables y refina el tamaño de grano para aumentar la dureza, particularmente a altas temperaturas. El tungsteno se utiliza ampliamente en aceros para herramientas de alta velocidad y se ha propuesto como sustituto del molibdeno en aceros ferríticos de activación reducida para aplicaciones nucleares.
• Cromo . El cromo aumenta la dureza, la fuerza y ​​la resistencia a la corrosión. El efecto de fortalecimiento de la formación de carburos metálicos estables en los límites de los granos y el fuerte aumento de la resistencia a la corrosión hicieron del cromo un importante material de aleación para el acero. En términos generales, la concentración especificada para la mayoría de los grados es aproximadamente del 4%. Este nivel parece resultar en el mejor equilibrio entre dureza y tenacidad. El cromo juega un papel importante en el mecanismo de endurecimiento y se considera insustituible. A temperaturas más altas, el cromo contribuye a una mayor resistencia. Normalmente se utiliza para aplicaciones de esta naturaleza junto con el molibdeno.
• El molibdeno . El molibdeno (aproximadamente 0.50-8.00%) cuando se agrega a un acero para herramientas lo hace más resistente a las altas temperaturas . El molibdeno aumenta la templabilidad y la resistencia, particularmente a altas temperaturas debido al alto punto de fusión del molibdeno. El molibdeno es único en la medida en que aumenta la resistencia a la tracción y a la fluencia a alta temperatura del acero. Retrasa la transformación de austenita en perlita mucho más que la transformación de austenita en bainita; por tanto, la bainita se puede producir mediante el enfriamiento continuo de aceros que contienen molibdeno.
• El vanadio . El vanadio generalmente se agrega al acero para inhibir el crecimiento de granos durante el tratamiento térmico. Al controlar el crecimiento del grano, mejora tanto la resistencia como la tenacidad de los aceros templados y revenido. El tamaño del grano determina las propiedades del metal. Por ejemplo, un tamaño de grano más pequeño aumenta la resistencia a la tracción y tiende a aumentar la ductilidad. Se prefiere un tamaño de grano más grande para mejorar las propiedades de fluencia a alta temperatura.

Ejemplo de acero para herramientas: acero A2

El acero para herramientas A2 es un acero endurecido al aire para trabajo en frío de aceros del grupo A que contienen molibdeno y cromo. El acero A2 contiene un 5% de acero al cromo que proporciona una alta dureza después del tratamiento térmico con una buena estabilidad dimensional. El contenido de carbono en los aceros para herramientas A2 es alto. A2 ofrece una buena tenacidad con una resistencia media al desgaste y es relativamente fácil de mecanizar. El acero para herramientas A2 se puede utilizar en muchas aplicaciones que requieren una buena resistencia al desgaste y una buena tenacidad.

Resumen

Nombre	Herramienta de acero
Fase en STP	sólido
Densidad	7810 kg / m3
Resistencia a la tracción	1860 MPa
Límite de elastacidad	1400 MPa
Módulo de Young	200 GPa
Dureza Brinell	630 BHN
Punto de fusion	1420 ° C
Conductividad térmica	26 W / mK
Capacidad calorífica	465 J / g K
Precio	2 $ / kg

Densidad del acero para herramientas

Las densidades típicas de varias sustancias se encuentran a presión atmosférica. 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 / m ³ ). La unidad de inglés estándar es  libras de masa por pie cúbico  ( lbm / ft ³ ).

La densidad del acero para herramientas es 7810 kg / m ³ .

Ejemplo: densidad

Calcula la altura de un cubo hecho de acero para herramientas, que pesa una tonelada métrica.

Solución:

La densidad  se define como la  masa por unidad de volumen . Se define matemáticamente como masa dividida por volumen:

ρ = m / V

Como el volumen de un cubo es la tercera potencia de sus lados (V = a ³ ), la altura de este cubo se puede calcular:

La altura de este cubo es entonces a = 0,504 m .

Propiedades mecánicas del acero para herramientas: acero A2

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 para herramientas: acero A2

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

Resistencia máxima a la tracción del acero para herramientas: el acero A2 depende del proceso de tratamiento térmico, pero es de aproximadamente 1860 MPa.

La máxima resistencia a la tracción es la máxima en la curva de ingeniería de tensión-deformación . Esto corresponde a la tensión máximaque 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 de 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 elastacidad

Límite elástico del acero para herramientas: el acero A2 depende del proceso de tratamiento térmico, pero es de aproximadamente 1400 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. Fuerza de produccióno el límite elástico 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 que se supera el límite de fluencia, una fracción 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 para herramientas: el acero A2 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 un esfuerzo limitante, 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 para herramientas – Acero A2

Dureza Rockwell del acero para herramientas: el acero A2 depende del proceso de tratamiento térmico, pero es de aproximadamente 60 HRC.

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.

Ejemplo: resistencia

Suponga una varilla de plástico, que está hecha de acero para herramientas. Esta varilla de plástico tiene un área de sección transversal de 1 cm ² . Calcule la fuerza de tracción necesaria para lograr la resistencia a la tracción máxima de este material, que es: UTS = 1860 MPa.

Solución:

La tensión (σ)  se puede equiparar a la carga por unidad de área o la fuerza (F) aplicada por área de sección transversal (A) perpendicular a la fuerza como:

por lo tanto, la fuerza de tracción necesaria para lograr la máxima resistencia a la tracción es:

F = UTS x A = 1860 x 10 ⁶ x 0,0001 = 186 000 N

Propiedades térmicas del acero para herramientas – Acero A2

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 para herramientas: acero A2

El punto de fusión del acero para herramientas: el acero A2 es de alrededor de 1420 ° 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 para herramientas – Acero A2

La conductividad térmica del acero para herramientas – acero A2 es de 26 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 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.

Ejemplo: cálculo de transferencia de calor

La conductividad térmica se define como la cantidad de calor (en vatios) transferida a través de un área cuadrada de material de un espesor determinado (en metros) debido a una diferencia de temperatura. Cuanto menor sea la conductividad térmica del material, mayor será la capacidad del material para resistir la transferencia de calor.

Calcule la tasa de flujo de  calor a  través de una pared de 3 mx 10 m de área (A = 30 m ² ). La pared tiene 15 cm de espesor (L ₁ ) y está hecha de acero para herramientas con una conductividad térmica  de k ₁ = 26 W / mK (mal aislante térmico). Suponga que las temperaturas interior y exterior  son 22 ° C y -8 ° C, y los  coeficientes de transferencia de calor por convección  en los lados interior y exterior son h ₁  = 10 W / m ² K y h ₂  = 30 W / m ² K, respectivamente. Tenga en cuenta que estos coeficientes de convección dependen en gran medida, especialmente, de las condiciones ambientales e interiores (viento, humedad, etc.).

Calcule el flujo de calor ( pérdida de calor ) a través de esta pared.

Solución:

Como se escribió, muchos de los procesos de transferencia de calor involucran sistemas compuestos e incluso involucran una combinación de  conducción  y  convección . Con estos sistemas compuestos, a menudo es conveniente trabajar con un  coeficiente de transferencia de calor en general ,  conocido como un  factor U . El factor U se define mediante una expresión análoga a  la ley de enfriamiento de Newton :

El  coeficiente de transferencia de calor general  está relacionado con la  resistencia térmica total  y depende de la geometría del problema.

Suponiendo una transferencia de calor unidimensional a través de la pared plana y sin tener en cuenta la radiación, el  coeficiente de transferencia de calor general  se puede calcular como:

El coeficiente de transferencia de calor general  es entonces: U = 1 / (1/10 + 0,15 / 26 + 1/30) = 7,19 W / m ² K

El flujo de calor se puede calcular entonces simplemente como: q = 7,19 [W / m ² K] x 30 [K] = 215,67 W / m ²

La pérdida total de calor a través de esta pared será: q _pérdida  = q. A = 215,67 [W / m ² ] x 30 [m ² ] = 6470,05 W