Nick Connor

Los metales y aleaciones refractarios son bien conocidos por su extraordinaria resistencia al calor y al desgaste. El requisito clave para soportar altas temperaturas es un alto punto de fusión y propiedades mecánicas estables (por ejemplo, alta dureza) incluso a altas temperaturas.

Los metales refractarios más comunes incluyen cinco elementos: niobio y molibdeno del quinto período y tantalio, tungsteno y renio del sexto período. Todos comparten algunas propiedades, incluido un punto de fusión superior a 2000°C y una alta dureza a temperatura ambiente.

La mala capacidad de fabricación a baja temperatura y la extrema oxidabilidad a altas temperaturas son las principales desventajas de la mayoría de los metales refractarios. La aplicación de estos metales requiere una atmósfera protectora o un revestimiento.

La resistencia de los metales refractarios a altas temperaturas, en combinación con su dureza, los hace ideales para herramientas de corte y perforación. Las aleaciones a base de metales refractarios se utilizan en prácticamente todas las industrias principales, incluidas la electrónica, aeroespacial, automotriz, química, minera, tecnología nuclear y procesamiento de metales. El uso actual no se limita a filamentos de lámparas, rejillas de tubos de electrones y elementos calefactores.

• El tungsteno es un metal extremadamente denso y tiene el punto de fusión más alto de todos los metales, a 3410°C. Además, el tungsteno es un excelente agente de aleación. El uso principal del tungsteno es en herramientas de corte de metal de carburo cementado y materiales resistentes al desgaste. 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. La adición de aproximadamente un 10% de tungsteno y molibdeno en total maximiza de manera eficiente la dureza y tenacidad de los aceros de alta velocidad y mantiene esas propiedades a las altas temperaturas generadas al cortar metales.
• 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. La aleación a base de molibdeno más común es la aleación de titanio-circonio-molibdeno TZM, compuesta de 0,5% de titanio y 0,08% de circonio (el resto es molibdeno). Por lo general, se fabrica mediante procesos de pulvimetalurgia o fundición por arco. La aleación exhibe una mayor resistencia a la fluencia y resistencia a altas temperaturas, lo que hace posibles temperaturas de servicio superiores a 1060°C para el material.

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Aleaciones

Las aleaciones resistentes a la corrosión, como su nombre lo indica, son aleaciones con mayor resistencia a la corrosión. Algunos metales y aleaciones ferrosos y muchos no ferrosos se utilizan ampliamente en entornos corrosivos. En todos los casos, depende en gran medida de cierto entorno y otras condiciones. Las aleaciones resistentes a la corrosión se utilizan para tuberías de agua y muchas aplicaciones químicas e industriales. En el caso de las aleaciones ferrosas, hablamos de aceros inoxidables y, en cierta medida, de fundiciones. Pero algunas aleaciones no ferrosas resistentes a la corrosión exhiben una notable resistencia a la corrosión y, por lo tanto, pueden usarse para muchos propósitos especiales. Hay dos razones principales por las que se prefieren los materiales no ferrosos a los aceros y aceros inoxidables para muchas de estas aplicaciones. Por ejemplo, muchos de losLos metales y aleaciones no ferrosos poseen una resistencia a la corrosión mucho mayor que los aceros aleados y los grados de acero inoxidable disponibles. En segundo lugar, una alta relación resistencia-peso o una alta conductividad térmica y eléctrica pueden proporcionar una clara ventaja sobre una aleación ferrosa.

Propiedades térmicas de las aleaciones resistentes a la corrosión

Las propiedades térmicas de los materiales se refieren a la respuesta de los materiales a los cambios de  thermodynamics/thermodynamic-properties/what-is-temperature-physics/»>temperatura y a la aplicación de calor. A medida que un sólido absorbe thermodynamics/what-is-energy-physics/»>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 de las aleaciones resistentes a la corrosión

El punto de fusión del bronce de aluminio – UNS C95400 es de alrededor de 1030°C.

Punto de fusión de la superaleación: el acero Inconel 718 es de alrededor de 1400°C.

El punto de fusión del titanio comercialmente puro – Grado 2 es de alrededor de 1660°C.

El punto de fusión de la aleación de aluminio 6061 es de alrededor de 600°C.

El punto de fusión del acero inoxidable – acero tipo 304 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 de aleaciones resistentes a la corrosión

La conductividad térmica del bronce de aluminio – UNS C95400 es 59 W/(mK).

La conductividad térmica de la superaleación – Inconel 718 es 6,5 W/(mK).

La conductividad térmica del titanio comercialmente puro – Grado 2 es de 16 W/(mK).

La conductividad térmica de la aleación de aluminio 6061 es de 150 W/(mK).

La conductividad térmica del acero inoxidable – tipo 304 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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Aleaciones resistentes a la corrosión

Como puede verse en la figura, el porcentaje de carbono presente y la temperatura definen la fase de la aleación de hierro-carbono y por tanto sus características físicas y propiedades mecánicas. El porcentaje de carbono determina el tipo de aleación ferrosa: hierro, acero al carbono o hierro fundido.

Acero carbono

Los aceros al carbono  son aleaciones de hierro y carbono que pueden contener concentraciones apreciables de otros elementos de aleación. Los aceros al carbono simples  son aleaciones de hierro y carbono cuyas propiedades se derivan principalmente de la presencia de carbono. Algunos elementos incidentales como el manganeso, el silicio, el azufre y el fósforo están presentes en pequeñas cantidades debido al método de fabricación de los aceros y, sin modificar las propiedades mecánicas. Agregar una pequeña cantidad de carbono no metálico al hierro cambia su  gran ductilidad  por una  mayor resistencia. Debido a su muy alta resistencia, pero aún una dureza sustancial, y su capacidad de 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:

• 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 de material 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.
• Aceros Medio Carbono . El acero con contenido medio de carbono tiene aproximadamente un 0,3–0,6% de contenido de carbono. Equilibra la ductilidad y la fuerza y ​​tiene 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, y también podría utilizarse en rieles y ruedas de ferrocarril.
• 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. Los aceros con alto contenido de carbono se pueden utilizar para resortes, cables, martillos, destornilladores y llaves.
• Acero 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 que pueden templarse a 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.

Hierros Fundidos

En la ingeniería de materiales,  los hierros fundidos  son una clase de aleaciones ferrosas con contenidos de carbono  superiores al 2,14% en peso . Normalmente, los hierros fundidos contienen de  2,14% en peso a 4,0% en peso de carbono  y en cualquier lugar de 0,5% en peso a 3% en peso de  silicio. Las aleaciones de hierro con menor contenido de carbono se conocen como  acero. La diferencia es que los hierros fundidos pueden aprovechar la  solidificación eutéctica  en el sistema binario hierro-carbono. El término eutéctico es griego para » fusión fácil o bien «, y el punto eutéctico representa la composición en el diagrama de fases donde   se alcanza la temperatura de fusión más baja . Para el sistema hierro-carbono el  punto eutéctico se produce a una composición de 4,26% en peso de C y una temperatura de  1148°C .

El hierro fundido , por lo tanto, tiene un punto de fusión más bajo (entre aproximadamente 1150°C y 1300°C) que el acero tradicional, lo que lo hace más fácil de fundir que los aceros estándar. Debido a su alta fluidez cuando se funde, el hierro líquido llena fácilmente moldes intrincados y puede formar formas complejas. La mayoría de las aplicaciones requieren muy poco acabado, por lo que los hierros fundidos se utilizan para una amplia variedad de piezas pequeñas y grandes. Es un material ideal para la fundición en arena en formas complejas, como colectores de escape, sin la necesidad de un mecanizado adicional extenso. Además, algunos hierros fundidos son muy frágiles y el  vaciado  es la técnica de fabricación más conveniente. Hierros fundidos se han convertido en un material de ingeniería con una amplia gama de aplicaciones y se utilizan en tuberías, máquinas y piezas de la industria automotriz, como culatas, bloques de cilindros y cajas de engranajes. Es resistente al daño por oxidación.

Tipos de hierro fundido

Los hierros fundidos  también comprenden una gran familia de diferentes tipos de hierro, dependiendo de  cómo se forme la fase rica en carbono durante la solidificación. La microestructura de los hierros fundidos se puede controlar para proporcionar productos que tengan una excelente ductilidad, buena maquinabilidad, excelente amortiguación de vibraciones, excelente resistencia al desgaste y buena conductividad térmica. Con una aleación adecuada, la  resistencia a la corrosión  de los hierros fundidos puede igualar a la de los aceros inoxidables y las aleaciones a base de níquel en muchos servicios. Para la mayoría de los hierros fundidos, el carbono existe como grafito, y tanto la microestructura como el comportamiento mecánico dependen de la composición y el tratamiento térmico. Los tipos de hierro fundido más comunes son:

• Hierro fundido gris . El hierro fundido gris es el tipo de hierro fundido más antiguo y común. La fundición gris se caracteriza por su microestructura grafítica, que provoca que las fracturas del material tengan un aspecto gris. Esto se debe a la presencia de grafito en su composición. En hierro fundido gris, el grafito se forma como escamas, adquiriendo una geometría tridimensional.
• Hierro fundido blanco . Los hierros fundidos blancos son duros, quebradizos e imposibles de mecanizar, mientras que los hierros grises con grafito más blando son razonablemente fuertes y mecanizables. Una superficie de fractura de esta aleación tiene un aspecto blanco y, por lo tanto, se denomina hierro fundido blanco.
• Hierro fundido maleable . El arrabio maleable es arrabio blanco que ha sido recocido. Mediante un tratamiento térmico de recocido, la estructura frágil como primer molde se transforma en la forma maleable. Por tanto, su composición es muy similar a la del hierro fundido blanco, con cantidades ligeramente superiores de carbono y silicio.
• Hierro fundido dúctil . El hierro dúctil, también conocido como hierro nodular, tiene una composición muy similar al hierro gris, pero durante la solidificación el grafito se nuclea como partículas esféricas (nódulos) en el hierro dúctil, en lugar de como escamas. El hierro dúctil es más fuerte y más resistente a los golpes que el hierro gris. De hecho, el hierro dúctil tiene características mecánicas que se acercan a las del acero, mientras que conserva una gran fluidez cuando se funde y un punto de fusión más bajo.

Propiedades del acero al carbono frente al hierro fundido

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 del acero al carbono frente al hierro fundido

La densidad del acero típico es de 8,05 g/cm³.

La densidad del hierro fundido típico es de 7,03 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 (N_A = 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 al carbono frente al hierro fundido

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 al carbono frente al hierro fundido

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 resistencia máxima a la tracción del hierro fundido gris (ASTM A48 Clase 40) es 295 MPa.

La resistencia máxima a la tracción del hierro fundido blanco martensítico (ASTM A532 Clase 1 Tipo A) es 350 MPa.

Resistencia máxima a la tracción del hierro fundido maleable – ASTM A220 es 580 MPa.

La resistencia máxima a la tracción del hierro fundido dúctil – ASTM A536 – 60-40-18 es 414 Mpa (> 60 ksi).

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 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 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 con bajo contenido de carbono  es de 200 GPa.

El módulo de Young del hierro fundido gris (ASTM A48 Clase 40) es 124 GPa.

El módulo de Young del hierro fundido blanco martensítico (ASTM A532 Clase 1 Tipo A) es de 175 GPa.

El módulo de Young del hierro fundido maleable – ASTM A220 es 172 GPa.

El módulo de Young de hierro fundido dúctil – ASTM A536 – 60-40-18 es 170 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 al carbono frente al hierro fundido

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 dureza Brinell del hierro fundido gris (ASTM A48 Clase 40) es de aproximadamente 235 MPa.

La dureza Brinell del hierro fundido gris martensítico blanco fundido (ASTM A532 Clase 1 Tipo A) es de aproximadamente 600 MPa.

La dureza Brinell del hierro fundido maleable – ASTM A220 es de aproximadamente 250 MPa.

La dureza Brinell del hierro fundido dúctil – ASTM A536 – 60-40-18 es de aproximadamente 150 – 180 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 al carbono frente al hierro fundido

Las propiedades térmicas  de los materiales se refieren a la respuesta de los materiales a los cambios de  thermodynamics/thermodynamic-properties/what-is-temperature-physics/»>temperatura y a la aplicación de calor. A medida que un sólido absorbe thermodynamics/what-is-energy-physics/»>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 al carbono frente al hierro fundido

El punto de fusión del  acero con bajo contenido de carbono  es de alrededor de 1450°C.

Punto de fusión del hierro fundido gris: el acero ASTM A48 es de alrededor de 1260°C.

El punto de fusión del hierro fundido blanco martensítico (ASTM A532 Clase 1 Tipo A) es de alrededor de 1260°C.

El punto de fusión del hierro fundido maleable – ASTM A220 es de alrededor de 1260°C.

El punto de fusión del hierro fundido dúctil – ASTM A536 – acero 60-40-18 es de alrededor de 1150°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 al carbono frente al hierro fundido

La conductividad térmica del acero típico  es de 20 W/(mK).

La conductividad térmica del hierro fundido gris – ASTM A48 es 53 W/(mK).

La conductividad térmica del hierro fundido blanco martensítico (ASTM A532 Clase 1 Tipo A) es de 15 a 30 W/(mK).

La conductividad térmica del hierro fundido maleable es de aproximadamente 40 W/(mK).

La conductividad térmica del hierro fundido dúctil es de 36 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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Aleaciones

Los metales y las aleaciones de bajo punto de fusión se oponen de alguna manera a los metales refractarios. Algunas aleaciones de bajo punto de fusión se pueden utilizar como soldadura, por lo que se conocen como aleaciones fusibles. Una aleación fundible es una aleación de metal capaz de fundirse fácilmente, es decir, fundirse fácilmente, a temperaturas relativamente bajas.

Soldadura – Aleación eutéctica de estaño – plomo

La soldadura es una técnica para unir metales utilizando una aleación de metal de relleno que tiene una temperatura de fusión inferior a aproximadamente 425°C (800°F). Debido a esta temperatura más baja y a las diferentes aleaciones que se utilizan como cargas, la reacción metalúrgica entre la carga y la pieza de trabajo es mínima, lo que da como resultado una unión más débil. En el montaje de componentes electrónicos, la aleación eutéctica con 63% de estaño y 37% de plomo (o 60/40, que es casi idéntico en punto de fusión) ha sido la aleación elegida. Esta aleación eutéctica tiene un punto de fusión más bajo que los del estaño o el plomo.

El estaño es un componente importante en las soldaduras porque humedece y se adhiere a muchos metales básicos comunes a temperaturas considerablemente por debajo de sus puntos de fusión. Se agregan pequeñas cantidades de varios metales, en particular antimonio y plata, a las soldaduras de estaño-plomo para aumentar su resistencia. La soldadura 60-40 proporciona uniones fuertes y confiables en una variedad de condiciones ambientales. También hay soldaduras con alto contenido de estaño, que se utilizan para unir partes de aparatos eléctricos porque su conductividad eléctrica es más alta que la de las soldaduras con alto contenido de plomo. Estas soldaduras también se utilizan cuando el plomo puede ser un peligro, por ejemplo, en contacto con agua potable o alimentos.

Aleaciones de plomo

El plomo es un metal pesado que es más denso que la mayoría de los materiales comunes. El plomo es blando y maleable y tiene un punto de fusión relativamente bajo. El plomo se usa ampliamente como escudo gamma. La principal ventaja del blindaje de plomo es su compacidad debido a su mayor densidad. Tiene alta resistencia a la corrosión, maleabilidad, propiedades eléctricas inusuales y la capacidad de formar aleaciones útiles. Los usos representativos incluyen: agente de protección contra rayos X y radiación gamma; rejillas de fundición a presión para baterías; Recubrimientos que preparan superficies para soldar. Por otro lado, el plomo es extremadamente tóxico y presenta ciertos peligros ambientales.

El plomo forma una amplia gama de aleaciones de bajo punto de fusión y se alea fácilmente con estaño en todas las proporciones, formando las soldaduras de estaño-plomo utilizadas ampliamente en la industria. En la industria nuclear, las aleaciones de plomo y plomo-bismuto se pueden utilizar como refrigerante de reactores.

Eutéctico de plomo y bismuto de plomo

También se han propuesto y utilizado ocasionalmente plomo, plomo-bismuto eutéctico y otros metales. El reactor rápido enfriado por plomo es un diseño de reactor nuclear que presenta un espectro de neutrones rápidos y refrigerante eutéctico de plomo fundido o plomo-bismuto . Lead-Bismuth Eutectic o LBE es una aleación eutéctica de plomo (44,5%) y bismuto (55,5%). Se puede utilizar plomo fundido o eutéctico de plomo-bismuto como refrigerante primario porque el plomo y el bismuto tienen una baja absorción de neutrones y puntos de fusión relativamente bajos.

Los puntos de fusión y ebullición de la mezcla eutéctica de plomo y bismuto y plomo son:

• plomo
  • punto de fusión – 327,5°C
  • punto de ebullición – 1749°C
• plomo-bismuto – mezcla eutéctica
  • punto de fusión – 123,5°C
  • punto de ebullición – 1670°C

Aleaciones de zinc

El zinc es un metal quebradizo y tiene un punto de fusión relativamente bajo de 419°C (787°F), resiste la corrosión, es dúctil y maleable y es altamente soluble en cobre. El zinc y las aleaciones de zinc se utilizan en forma de revestimientos, piezas fundidas, láminas laminadas, alambre trefilado, piezas forjadas y extrusiones. Otros usos del zinc son como componente principal en aleaciones de níquel-plata de bronce, metal para máquinas de escribir, soldaduras blandas y de aluminio y bronce comercial.

Las aleaciones de zinc con pequeñas cantidades de cobre, aluminio y magnesio son útiles en la fundición a presión y en la fundición por rotación, especialmente en las industrias automotriz, eléctrica y de ferretería. Las aleaciones de zinc tienen puntos de fusión bajos, requieren un aporte de calor relativamente bajo, no requieren atmósferas fundentes o protectoras. Debido a su alta fluidez, las aleaciones de zinc pueden moldearse en paredes mucho más delgadas que otras aleaciones de fundición a presión, y pueden moldearse a presión con tolerancias dimensionales más estrictas. Estas aleaciones de zinc se comercializan con el nombre de Zamak. El nombre zamak es un acrónimo de los nombres alemanes de los metales que componen las aleaciones: Zink (zinc), Aluminio, Magnesio y Kupfer (cobre). El bajo punto de fusión junto con la baja viscosidad de la aleación hace posible la producción de formas pequeñas e intrincadas.

Ver arriba:
Aleaciones

Como puede verse en la figura, el porcentaje de carbono presente y la temperatura definen la fase de la aleación hierro-carbono y por tanto sus características físicas y propiedades mecánicas. El porcentaje de carbono determina el tipo de aleación ferrosa: hierro, acero al carbono o hierro fundido.

Aceros

Los aceros  son aleaciones de hierro-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  resistencia. Debido a su muy alta resistencia, pero aún una dureza sustancial, y su capacidad para ser alterado 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

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  Acero. Los aceros son aleaciones de hierro-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 resistencia. Debido a su muy alta resistencia, pero aún sustancial dureza, y su capacidad de ser alterado 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:

  • 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 de material 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.
  • Aceros Medio Carbono. El acero con contenido medio de carbono tiene aproximadamente un 0,3–0,6% de contenido de carbono. Equilibra la ductilidad y la fuerza y ​​tiene 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, y también podría utilizarse en rieles y ruedas de ferrocarril.
  • 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. Los aceros con alto contenido de carbono se pueden utilizar para resortes, cables, martillos, destornilladores y llaves.
  • 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 que pueden templarse a 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.
• Aceros Aleados. El acero es una aleación de hierro y carbono, pero el término acero de aleación generalmente solo se refiere a aceros que contienen otros elementos, como vanadio, molibdeno o cobalto, en cantidades suficientes para alterar las propiedades del acero base. En general, el acero aleado es acero que se alea con una variedad de elementos en cantidades totales entre 1.0% y 50% en peso para mejorar sus propiedades mecánicas. Los aceros aleados se dividen en dos grupos:
  • Aceros de baja aleación
  • Aceros de alta aleación
• Acero inoxidable. Los aceros inoxidables se definen como aceros con bajo contenido de carbono con al menos un 10% de cromo con o sin otros elementos de aleación. Su fuerza y ​​resistencia a la corrosión a menudo lo convierten en el material de elección en equipos de transporte y procesamiento, piezas de motores y armas de fuego. El cromo aumenta la dureza, la fuerza y ​​la resistencia a la corrosión. El níquel brinda beneficios similares pero agrega dureza sin sacrificar la ductilidad y tenacidad. También reduce la expansión térmica para una mejor estabilidad dimensional.

Hierros Fundidos

En la ingeniería de materiales,  los hierros fundidos  son una clase de aleaciones ferrosas con contenidos de carbono  superiores al 2,14% en peso . Normalmente, los hierros fundidos contienen de  2,14% en peso a 4,0% en peso de carbono  y en cualquier lugar de 0,5% en peso a 3% en peso de  silicio. Las aleaciones de hierro con menor contenido de carbono se conocen como  acero. La diferencia es que los hierros fundidos pueden aprovechar la  solidificación eutéctica  en el sistema binario hierro-carbono. El término eutéctico es griego para » fusión fácil o bien «, y el punto eutéctico representa la composición en el diagrama de fases donde   se alcanza la temperatura de fusión más baja. Para el sistema hierro-carbono el  punto eutéctico se produce a una composición de 4,26% en peso de C y una temperatura de  1148°C.

El hierro fundido, por lo tanto, tiene un punto de fusión más bajo (entre aproximadamente 1150°C y 1300°C) que el acero tradicional, lo que lo hace más fácil de fundir que los aceros estándar. Debido a su alta fluidez cuando se funde, el hierro líquido llena fácilmente moldes intrincados y puede formar formas complejas. La mayoría de las aplicaciones requieren muy poco acabado, por lo que los hierros fundidos se utilizan para una amplia variedad de piezas pequeñas y grandes. Es un material ideal para la fundición en arena en formas complejas, como colectores de escape, sin la necesidad de un mecanizado adicional extenso. Además, algunos hierros fundidos son muy frágiles y el  vaciado  es la técnica de fabricación más conveniente. Hierros fundidos se han convertido en un material de ingeniería con una amplia gama de aplicaciones y se utilizan en tuberías, máquinas y piezas de la industria automotriz, como culatas, bloques de cilindros y cajas de engranajes. Es resistente al daño por oxidación.

Tipos de hierro fundido

Los hierros fundidos  también comprenden una gran familia de diferentes tipos de hierro, dependiendo de  cómo se forme la fase rica en carbono durante la solidificación. La microestructura de los hierros fundidos se puede controlar para proporcionar productos que tengan una excelente ductilidad, buena maquinabilidad, excelente amortiguación de vibraciones, excelente resistencia al desgaste y buena conductividad térmica. Con una aleación adecuada, la  resistencia a la corrosión  de los hierros fundidos puede igualar a la de los aceros inoxidables y las aleaciones a base de níquel en muchos servicios. Para la mayoría de los hierros fundidos, el carbono existe como grafito, y tanto la microestructura como el comportamiento mecánico dependen de la composición y el tratamiento térmico. Los tipos de hierro fundido más comunes son:

• Hierro fundido gris. El hierro fundido gris es el tipo de hierro fundido más antiguo y común. La fundición gris se caracteriza por su microestructura grafítica, que provoca que las fracturas del material tengan un aspecto gris. Esto se debe a la presencia de grafito en su composición. En hierro fundido gris, el grafito se forma como escamas, adquiriendo una geometría tridimensional.
• Hierro fundido blanco. Los hierros fundidos blancos son duros, quebradizos e imposibles de mecanizar, mientras que los hierros grises con grafito más blando son razonablemente fuertes y mecanizables. Una superficie de fractura de esta aleación tiene un aspecto blanco y, por lo tanto, se denomina hierro fundido blanco.
• Hierro fundido maleable. El arrabio maleable es arrabio blanco que ha sido recocido. Mediante un tratamiento térmico de recocido, la estructura frágil como primer molde se transforma en la forma maleable. Por tanto, su composición es muy similar a la del hierro fundido blanco, con cantidades ligeramente superiores de carbono y silicio.
• Hierro fundido dúctil. El hierro dúctil, también conocido como hierro nodular, tiene una composición muy similar al hierro gris, pero durante la solidificación el grafito se nuclea como partículas esféricas (nódulos) en el hierro dúctil, en lugar de como escamas. El hierro dúctil es más fuerte y más resistente a los golpes que el hierro gris. De hecho, el hierro dúctil tiene características mecánicas que se acercan a las del acero, mientras que conserva una gran fluidez cuando se funde y un punto de fusión más bajo.

Propiedades del acero frente al hierro

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 vs hierro

La densidad del acero típico es de 8,05 g/cm³.

La densidad del hierro fundido típico es de 7,03 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 (N_A = 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 frente al hierro

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 frente al hierro

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 resistencia máxima a la tracción del hierro fundido gris (ASTM A48 Clase 40) es 295 MPa.

La resistencia máxima a la tracción del hierro fundido blanco martensítico (ASTM A532 Clase 1 Tipo A) es 350 MPa.

Resistencia máxima a la tracción del hierro fundido maleable – ASTM A220 es 580 MPa.

La resistencia máxima a la tracción del hierro fundido dúctil – ASTM A536 – 60-40-18 es 414 Mpa (> 60 ksi).

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 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 con bajo contenido de carbono  es de 200 GPa.

El módulo de Young del hierro fundido gris (ASTM A48 Clase 40) es 124 GPa.

El módulo de Young del hierro fundido blanco martensítico (ASTM A532 Clase 1 Tipo A) es de 175 GPa.

El módulo de Young del hierro fundido maleable – ASTM A220 es 172 GPa.

El módulo de Young de hierro fundido dúctil – ASTM A536 – 60-40-18 es 170 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 vs hierro

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 dureza Brinell del hierro fundido gris (ASTM A48 Clase 40) es de aproximadamente 235 MPa.

La dureza Brinell del hierro fundido gris martensítico blanco fundido (ASTM A532 Clase 1 Tipo A) es de aproximadamente 600 MPa.

La dureza Brinell del hierro fundido maleable – ASTM A220 es de aproximadamente 250 MPa.

La dureza Brinell del hierro fundido dúctil – ASTM A536 – 60-40-18 es de aproximadamente 150 – 180 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 frente al hierro

Las propiedades térmicas  de los materiales se refieren a la respuesta de los materiales a los cambios de  thermodynamics/thermodynamic-properties/what-is-temperature-physics/»>temperatura y a la aplicación de calor. A medida que un sólido absorbe thermodynamics/what-is-energy-physics/»>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 frente al hierro

El punto de fusión del  acero con bajo contenido de carbono  es de alrededor de 1450°C.

Punto de fusión del hierro fundido gris: el acero ASTM A48 es de alrededor de 1260°C.

El punto de fusión del hierro fundido blanco martensítico (ASTM A532 Clase 1 Tipo A) es de alrededor de 1260°C.

El punto de fusión del hierro fundido maleable – ASTM A220 es de alrededor de 1260°C.

El punto de fusión del hierro fundido dúctil – ASTM A536 – acero 60-40-18 es de alrededor de 1150°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 frente al hierro

La conductividad térmica del acero típico  es de 20 W/(mK).

La conductividad térmica del hierro fundido gris – ASTM A48 es 53 W/(mK).

La conductividad térmica del hierro fundido blanco martensítico (ASTM A532 Clase 1 Tipo A) es de 15 a 30 W/(mK).

La conductividad térmica del hierro fundido maleable es de aproximadamente 40 W/(mK).

La conductividad térmica del hierro fundido dúctil es de 36 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.

Ver arriba:
Aleaciones

Aceros inoxidables

En metalurgia, el  acero inoxidable  es una aleación de acero con al menos un 10,5% de cromo con o sin otros elementos de aleación y un máximo de 1,2% de carbono en masa. Los aceros inoxidables, también conocidos como aceros inox o inox de francés inoxidables (inoxidables), son  aleaciones de acero muy conocidas por su  resistencia a la corrosión, que aumenta con el aumento del contenido de cromo. La resistencia a la corrosión también se puede mejorar mediante la adición de níquel y molibdeno. La resistencia de estas aleaciones metálicas a los efectos químicos de los agentes corrosivos se basa en la  pasivación . Para que se produzca la pasivación y se mantenga estable, la  aleación Fe-Cr  debe tener un  contenido mínimo de cromo de aproximadamente el 10,5% en peso., por encima del cual puede ocurrir la pasividad y por debajo del cual es imposible. El cromo se puede utilizar como elemento de endurecimiento y se utiliza con frecuencia con un elemento de endurecimiento como el níquel para producir propiedades mecánicas superiores.

Usos de los aceros inoxidables – Aplicaciones

La fuerza y ​​la resistencia a la corrosión del  acero inoxidable a  menudo lo convierten en el material de elección en equipos de transporte y procesamiento, piezas de motores y armas de fuego. La mayoría de las aplicaciones estructurales se producen en las industrias de la ingeniería química y energética, que representan más de la tercera parte del mercado de productos de acero inoxidable. La amplia variedad de aplicaciones incluye  recipientes de reactores nucleares,  intercambiadores de calor. El cuerpo de la vasija del reactor está construido de  acero al carbono de baja aleación de alta calidad , pero todas las superficies que entran en contacto con el refrigerante del reactor (altamente corrosivo debido a la presencia de ácido bórico)  están revestidas  con un mínimo de aproximadamente 3 a 10 mm de  acero inoxidable austenítico para minimizar la corrosión.

El acero inoxidable  se puede enrollar en láminas, placas, barras, alambres y tubos. Los aceros inoxidables no necesitan ser pintados ni revestidos, lo que los hace adecuados para su uso en aplicaciones donde se requiere limpieza: en utensilios de cocina, cubiertos e instrumental quirúrgico.

Tipos de aceros inoxidables

El acero inoxidable  es un término genérico para una gran familia de aleaciones resistentes a la corrosión que contienen al menos un 10,5% de cromo y pueden contener otros elementos de aleación. Existen numerosos grados de acero inoxidable con diferentes contenidos de cromo y molibdeno y con una estructura cristalográfica variable para adaptarse al medio ambiente que debe soportar la aleación. Los aceros inoxidables se pueden dividir en cinco categorías:

• Aceros inoxidables ferríticos. En los aceros inoxidables ferríticos, el carbono se mantiene en niveles bajos (C <0,08%) y el contenido de cromo puede oscilar entre el 10,50 y el 30,00%. Por lo general, su uso está limitado a secciones relativamente delgadas debido a la falta de tenacidad en las soldaduras. Además, tienen una resistencia a altas temperaturas relativamente pobre. Los aceros ferríticos se eligen por su resistencia al agrietamiento por corrosión bajo tensión, lo que los convierte en una alternativa atractiva a los aceros inoxidables austeníticos en aplicaciones donde prevalece el SCC inducido por cloruros.
• Aceros inoxidables austeníticos. Los aceros inoxidables austeníticos contienen entre 16 y 25% de Cr y también pueden contener nitrógeno en solución, los cuales contribuyen a su relativamente alta resistencia a la corrosión. Los aceros inoxidables austeníticos tienen la mejor resistencia a la corrosión de todos los aceros inoxidables y tienen excelentes propiedades criogénicas y buena resistencia a altas temperaturas. El grado más conocido es el acero inoxidable AISI 304, que contiene metales de cromo (entre 15% y 20%) y níquel (entre 2% y 10,5%) como principales componentes distintos del hierro. El acero inoxidable 304 tiene una excelente resistencia a una amplia gama de entornos atmosféricos y muchos medios corrosivos. Estas aleaciones generalmente se caracterizan por ser dúctiles, soldables y endurecibles por conformado en frío.
• Aceros inoxidables martensíticos. Los aceros inoxidables martensíticos son similares a los aceros ferríticos en que se basan en cromo, pero tienen niveles de carbono más altos hasta el 1%. A veces se clasifican como aceros inoxidables martensíticos con bajo contenido de carbono y alto contenido de carbono. Tienen una resistencia a la corrosión moderada, pero se consideran duros, fuertes y ligeramente quebradizos. Son magnéticos y pueden probarse de forma no destructiva mediante el método de inspección por partículas magnéticas, a diferencia del acero inoxidable austenítico. Un acero inoxidable martensítico común es el AISI 440C, que contiene del 16 al 18% de cromo y del 0,95 al 1,2% de carbono. El acero inoxidable de grado 440C se utiliza en las siguientes aplicaciones: bloques de calibre, cubiertos, rodamientos de bolas y pistas, moldes y matrices, cuchillos.
• Aceros Inoxidables Dúplex. Los aceros inoxidables dúplex, como su nombre lo indica, son una combinación de dos de los principales tipos de aleaciones. Tienen una microestructura mixta de austenita y ferrita, el objetivo suele ser producir una mezcla 50/50, aunque en las aleaciones comerciales la proporción puede ser 40/60. Su resistencia a la corrosión es similar a la de sus homólogos austeníticos, pero su resistencia a la corrosión bajo tensión (especialmente al agrietamiento por corrosión bajo tensión por cloruro), resistencia a la tracción y límites elásticos (aproximadamente el doble del límite elástico de los aceros inoxidables austeníticos) son generalmente superiores a los de los aceros inoxidables austeníticos. Los grados. Superdúplex Los aceros tienen una mayor resistencia y resistencia a todas las formas de corrosión en comparación con los aceros austeníticos estándar. Los usos comunes son en aplicaciones marinas, plantas petroquímicas, plantas desalinizadoras, intercambiadores de calor e industria de fabricación de papel. Hoy en día, la industria del petróleo y el gas es el mayor usuario y ha impulsado grados más resistentes a la corrosión, lo que ha llevado al desarrollo de aceros superdúplex.
• Aceros inoxidables PH.  Los aceros inoxidables PH (endurecimiento por precipitación) contienen alrededor de un 17% de cromo y un 4% de níquel. Estos aceros pueden desarrollar una resistencia muy alta mediante la adición de aluminio, titanio, niobio, vanadio y / o nitrógeno, que forman precipitados intermetálicos coherentes durante un proceso de tratamiento térmico denominado envejecimiento por calor. De todos los grados de acero inoxidable disponibles, generalmente ofrecen la mejor combinación de alta resistencia junto con excelente tenacidad y resistencia a la corrosión. Son tan resistentes a la corrosión como los austeníticos. Los usos comunes se encuentran en la industria aeroespacial y en algunas otras industrias de alta tecnología.

Aleaciones de titanio

El titanio puro es más resistente que los aceros comunes con bajo contenido de carbono, pero un 45% más ligero. También es dos veces más fuerte que las aleaciones de aluminio débiles, pero solo un 60% más pesado. Las dos propiedades más útiles del metal son la  resistencia a la corrosión  y la relación  fuerza-densidad, el más alto de cualquier elemento metálico. La resistencia a la corrosión de las aleaciones de titanio a temperaturas normales es inusualmente alta. La resistencia a la corrosión del titanio se basa en la formación de una capa de óxido protectora estable. Aunque el titanio «comercialmente puro» tiene propiedades mecánicas aceptables y se ha utilizado para implantes ortopédicos y dentales, para la mayoría de las aplicaciones el titanio se alea con pequeñas cantidades de aluminio y vanadio, típicamente 6% y 4% respectivamente, en peso. Esta mezcla tiene una solubilidad sólida que varía drásticamente con la temperatura, lo que le permite experimentar un  fortalecimiento por precipitación.

Las aleaciones de titanio  son metales que contienen una mezcla de titanio y otros elementos químicos. Estas aleaciones tienen una resistencia a la tracción y una tenacidad muy altas (incluso a temperaturas extremas). Son livianos, tienen una  extraordinaria resistencia a la corrosión  y la capacidad de soportar temperaturas extremas.

Grado 2

El titanio comercialmente puro de grado 2 es muy similar al grado 1, pero tiene mayor resistencia que el grado 1 y excelentes propiedades de conformado en frío. Proporciona excelentes propiedades de soldadura y tiene una excelente resistencia a la oxidación y la corrosión. Este grado de titanio es el grado más común de la industria del titanio comercialmente puro. Es la mejor opción para muchos campos de aplicaciones:

• Aeroespacial
• Automotor
• Procesamiento químico y fabricación de clorato
• Desalinización
• Generación de energía

Grado 5 – Ti-6Al-4V

El grado 5 es la aleación más utilizada y es una aleación alfa + beta. La aleación de grado 5 representa el 50% del uso total de titanio en todo el mundo. Tiene una composición química de 6% de aluminio, 4% de vanadio, 0,25% (máximo) de hierro, 0,2% (máximo) de oxígeno y el resto de titanio. Generalmente, Ti-6Al-4V se usa en aplicaciones de hasta 400 grados Celsius. Tiene una densidad de aproximadamente 4420 kg/m³. Es significativamente más fuerte que el titanio comercialmente puro (grados 1-4) debido a su posibilidad de ser tratado térmicamente. Este grado es una excelente combinación de fuerza, resistencia a la corrosión, soldadura y facilidad de fabricación. Es la mejor opción para muchos campos de aplicaciones:

• Turbinas de aviones
• Componentes del motor
• Componentes estructurales de aeronaves
• Sujetadores aeroespaciales
• Piezas automáticas de alto rendimiento
• Aplicaciones marinas

Aplicación de aleaciones de titanio – Usos

Las dos propiedades más útiles del metal son la  resistencia a la corrosión  y la relación  fuerza-densidad, la más alta de cualquier elemento metálico. La resistencia a la corrosión de las aleaciones de titanio a temperaturas normales es inusualmente alta. Estas propiedades determinan la aplicación del titanio y sus aleaciones. La primera aplicación de producción de titanio fue en 1952, para las góndolas y cortafuegos del avión Douglas DC-7. Alta resistencia específica, buena resistencia a la fatiga y vida útil a la fluencia, y buena tenacidad a la fractura son características que hacen que el titanio sea un metal preferido para  aplicaciones aeroespaciales. Las aplicaciones aeroespaciales, incluido el uso en componentes estructurales (fuselajes) y motores a reacción, siguen representando la mayor parte del uso de aleaciones de titanio. Sobre el avión supersónico SR-71, se utilizó titanio para el 85% de la estructura. Debido a su muy alta inercia, el titanio tiene muchas aplicaciones biomédicas, las cuales se basan en su inercia en el cuerpo humano, es decir, la resistencia a la corrosión por los fluidos corporales.

Propiedades del acero inoxidable frente a la aleación de titanio

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 del acero inoxidable frente a la aleación de titanio

La densidad del  acero inoxidable típico  es de 8,0 g/cm³ (acero 304).

La densidad de una aleación de titanio típica es de 4,43 g/cm³ (Ti-6Al-4V).

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 (N_A = 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 inoxidable frente a la aleación de titanio

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 inoxidable frente a la aleación de titanio

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 inoxidable – tipo 304L  es de 485 MPa.

Resistencia máxima a la tracción del  acero inoxidable ferrítico  : el grado 430  es de 480 MPa.

La máxima resistencia a la tracción del  acero inoxidable martensítico  : el grado 440C  es de 760 MPa.

La máxima resistencia a la tracción de Ti-6Al-4V – aleación de titanio de grado 5 es de aproximadamente 1170 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 inoxidable – tipo 304L  es de 170 MPa.

Límite elástico del  acero inoxidable ferrítico  : el grado 430  es 310 MPa.

Límite elástico del  acero inoxidable martensítico – Grado 440C  es 450 MPa.

El límite elástico de Ti-6Al-4V: la aleación de titanio de grado 5 es de aproximadamente 1100 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 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 inoxidable ferrítico  – Grado 430  es 220 GPa.

El módulo de Young del  acero inoxidable martensítico – Grado 440C  es 200 GPa.

El módulo de Young de los  aceros inoxidables dúplex – SAF 2205  es 200 GPa.

El módulo de Young de Ti-6Al-4V – aleación de titanio de grado 5 es de aproximadamente 114 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 inoxidable frente a la aleación de titanio

La dureza Brinell del  acero inoxidable ferrítico  – Grado 430  es de aproximadamente 180 MPa.

La dureza Brinell del  acero inoxidable martensítico  – Grado 440C  es de aproximadamente 270 MPa.

La dureza Brinell de los  aceros inoxidables dúplex – SAF 2205  es de aproximadamente 217 MPa.

La dureza Rockwell de Ti-6Al-4V – aleación de titanio de grado 5 es de aproximadamente 41 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.

Propiedades térmicas del acero inoxidable frente a la aleación de titanio

Las propiedades térmicas  de los materiales se refieren a la respuesta de los materiales a los cambios de  thermodynamics/thermodynamic-properties/what-is-temperature-physics/»>temperatura y a la aplicación de calor. A medida que un sólido absorbe thermodynamics/what-is-energy-physics/»>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 inoxidable frente a la aleación de titanio

El punto de fusión del  acero inoxidable – acero tipo 304  es de alrededor de 1450°C.

Punto de fusión del  acero inoxidable ferrítico:  el acero de grado 430  es de alrededor de 1450°C.

Punto de fusión del  acero inoxidable martensítico:  el acero de grado 440C  es de alrededor de 1450°C.

El punto de fusión de Ti-6Al-4V – aleación de titanio de grado 5 es de alrededor de 1660°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 inoxidable frente a la aleación de titanio

La conductividad térmica del  acero inoxidable – tipo 304  es de 20 W/(mK).

La conductividad térmica del  acero inoxidable ferrítico – Grado 430  es 26 W/(mK).

La conductividad térmica del  acero inoxidable martensítico – Grado 440C  es 24 W/(mK).

La conductividad térmica de Ti-6Al-4V – aleación de titanio de grado 5 es de 6,7 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.

Ver arriba:
Aleaciones

Aceros

Los aceros  son aleaciones de hierro-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 alterado 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

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  Acero. Los aceros son aleaciones de hierro-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 resistencia. Debido a su muy alta resistencia, pero aún sustancial dureza, y su capacidad de ser alterado 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:

  • 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 de material 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.
  • Aceros Medio Carbono. El acero con contenido medio de carbono tiene aproximadamente un 0,3–0,6% de contenido de carbono. Equilibra la ductilidad y la fuerza y ​​tiene 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, y también podría utilizarse en rieles y ruedas de ferrocarril.
  • 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. Los aceros con alto contenido de carbono se pueden utilizar para resortes, cables, martillos, destornilladores y llaves.
  • 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 que pueden templarse a 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.
• Aceros Aleados. El acero es una aleación de hierro y carbono, pero el término acero de aleación generalmente solo se refiere a aceros que contienen otros elementos, como vanadio, molibdeno o cobalto, en cantidades suficientes para alterar las propiedades del acero base. En general, el acero aleado es acero que se alea con una variedad de elementos en cantidades totales entre 1.0% y 50% en peso para mejorar sus propiedades mecánicas. Los aceros aleados se dividen en dos grupos:
  • Aceros de baja aleación
  • Aceros de alta aleación
• Acero inoxidable. Los aceros inoxidables se definen como aceros con bajo contenido de carbono con al menos un 10% de cromo con o sin otros elementos de aleación. Su fuerza y ​​resistencia a la corrosión a menudo lo convierten en el material de elección en equipos de transporte y procesamiento, piezas de motores y armas de fuego. El cromo aumenta la dureza, la fuerza y ​​la resistencia a la corrosión. El níquel brinda beneficios similares pero agrega dureza sin sacrificar la ductilidad y tenacidad. También reduce la expansión térmica para una mejor estabilidad dimensional.

Aleaciones de titanio

El titanio puro es más resistente que los aceros comunes con bajo contenido de carbono, pero un 45% más ligero. También es dos veces más fuerte que las aleaciones de aluminio débiles, pero solo un 60% más pesado. Las dos propiedades más útiles del metal son la  resistencia a la corrosión  y la relación  fuerza-densidad, el más alto de cualquier elemento metálico. La resistencia a la corrosión de las aleaciones de titanio a temperaturas normales es inusualmente alta. La resistencia a la corrosión del titanio se basa en la formación de una capa de óxido protectora estable. Aunque el titanio «comercialmente puro» tiene propiedades mecánicas aceptables y se ha utilizado para implantes ortopédicos y dentales, para la mayoría de las aplicaciones el titanio se alea con pequeñas cantidades de aluminio y vanadio, típicamente 6% y 4% respectivamente, en peso. Esta mezcla tiene una solubilidad sólida que varía drásticamente con la temperatura, lo que le permite experimentar un  fortalecimiento por precipitación.

Las aleaciones de titanio  son metales que contienen una mezcla de titanio y otros elementos químicos. Estas aleaciones tienen una resistencia a la tracción y una tenacidad muy altas (incluso a temperaturas extremas). Son livianos, tienen una  extraordinaria resistencia a la corrosión  y la capacidad de soportar temperaturas extremas.

Grado 2

El titanio comercialmente puro de grado 2 es muy similar al grado 1, pero tiene mayor resistencia que el grado 1 y excelentes propiedades de conformado en frío. Proporciona excelentes propiedades de soldadura y tiene una excelente resistencia a la oxidación y la corrosión. Este grado de titanio es el grado más común de la industria del titanio comercialmente puro. Es la mejor opción para muchos campos de aplicaciones:

• Aeroespacial
• Automotor
• Procesamiento químico y fabricación de clorato
• Desalinización
• Generación de energía

Grado 5 – Ti-6Al-4V

El grado 5 es la aleación más utilizada y es una aleación alfa + beta. La aleación de grado 5 representa el 50% del uso total de titanio en todo el mundo. Tiene una composición química de 6% de aluminio, 4% de vanadio, 0,25% (máximo) de hierro, 0,2% (máximo) de oxígeno y el resto de titanio. Generalmente, Ti-6Al-4V se usa en aplicaciones de hasta 400 grados Celsius. Tiene una densidad de aproximadamente 4420 kg/m³. Es significativamente más fuerte que el titanio comercialmente puro (grados 1-4) debido a su posibilidad de ser tratado térmicamente. Este grado es una excelente combinación de fuerza, resistencia a la corrosión, soldadura y facilidad de fabricación. Es la mejor opción para muchos campos de aplicaciones:

• Turbinas de aviones
• Componentes del motor
• Componentes estructurales de aeronaves
• Sujetadores aeroespaciales
• Piezas automáticas de alto rendimiento
• Aplicaciones marinas

Aplicación de aleaciones de titanio – Usos

Las dos propiedades más útiles del metal son la  resistencia a la corrosión  y la relación  fuerza-densidad, la más alta de cualquier elemento metálico. La resistencia a la corrosión de las aleaciones de titanio a temperaturas normales es inusualmente alta. Estas propiedades determinan la aplicación del titanio y sus aleaciones. La primera aplicación de producción de titanio fue en 1952, para las góndolas y cortafuegos del avión Douglas DC-7. Alta resistencia específica, buena resistencia a la fatiga y vida útil a la fluencia, y buena tenacidad a la fractura son características que hacen que el titanio sea un metal preferido para  aplicaciones aeroespaciales. Las aplicaciones aeroespaciales, incluido el uso en componentes estructurales (fuselajes) y motores a reacción, siguen representando la mayor parte del uso de aleaciones de titanio. Sobre el avión supersónico SR-71, se utilizó titanio para el 85% de la estructura. Debido a su muy alta inercia, el titanio tiene muchas aplicaciones biomédicas, las cuales se basan en su inercia en el cuerpo humano, es decir, la resistencia a la corrosión por los fluidos corporales.

Propiedades del acero frente al titanio

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 del acero frente al titanio

La densidad del acero típico es de 8,05 g/cm³.

La densidad de una aleación de titanio típica es de 4,43 g/cm³ (Ti-6Al-4V).

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 (N_A = 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 frente al titanio

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 frente al titanio

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 de Ti-6Al-4V – aleación de titanio de grado 5 es de aproximadamente 1170 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 límite elástico de Ti-6Al-4V: la aleación de titanio de grado 5 es de aproximadamente 1100 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 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 con bajo contenido de carbono  es de 200 GPa.

El módulo de Young de Ti-6Al-4V – aleación de titanio de grado 5 es de aproximadamente 114 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 frente al titanio

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 dureza Rockwell de Ti-6Al-4V – aleación de titanio de grado 5 es de aproximadamente 41 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.

Propiedades térmicas del acero frente al titanio

Las propiedades térmicas  de los materiales se refieren a la respuesta de los materiales a los cambios de  thermodynamics/thermodynamic-properties/what-is-temperature-physics/»>temperatura y a la aplicación de calor. A medida que un sólido absorbe thermodynamics/what-is-energy-physics/»>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 frente al titanio

El punto de fusión del  acero con bajo contenido de carbono  es de alrededor de 1450°C.

El punto de fusión de Ti-6Al-4V – aleación de titanio de grado 5 es de alrededor de 1660°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 frente al titanio

La conductividad térmica del acero típico  es de 20 W/(mK).

La conductividad térmica de Ti-6Al-4V – aleación de titanio de grado 5 es de 6,7 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.

Ver arriba:
Aleaciones

Aceros inoxidables

En metalurgia, el  acero inoxidable  es una aleación de acero con al menos un 10,5% de cromo con o sin otros elementos de aleación y un máximo de 1,2% de carbono en masa. Los aceros inoxidables, también conocidos como aceros inox o inox de francés inoxidables (inoxidables), son  aleaciones de acero muy conocidas por su  resistencia a la corrosión, que aumenta con el aumento del contenido de cromo. La resistencia a la corrosión también se puede mejorar mediante la adición de níquel y molibdeno. La resistencia de estas aleaciones metálicas a los efectos químicos de los agentes corrosivos se basa en la  pasivación. Para que se produzca la pasivación y se mantenga estable, la  aleación Fe-Cr  debe tener un  contenido mínimo de cromo de aproximadamente el 10,5% en peso., por encima del cual puede ocurrir la pasividad y por debajo del cual es imposible. El cromo se puede utilizar como elemento de endurecimiento y se utiliza con frecuencia con un elemento de endurecimiento como el níquel para producir propiedades mecánicas superiores.

Usos de los aceros inoxidables – Aplicaciones

La fuerza y ​​la resistencia a la corrosión del  acero inoxidable a  menudo lo convierten en el material de elección en equipos de transporte y procesamiento, piezas de motores y armas de fuego. La mayoría de las aplicaciones estructurales se producen en las industrias de la ingeniería química y energética, que representan más de la tercera parte del mercado de productos de acero inoxidable. La amplia variedad de aplicaciones incluye  recipientes de reactores nucleares,  intercambiadores de calor. El cuerpo de la vasija del reactor está construido de  acero al carbono de baja aleación de alta calidad , pero todas las superficies que entran en contacto con el refrigerante del reactor (altamente corrosivo debido a la presencia de ácido bórico)  están revestidas  con un mínimo de aproximadamente 3 a 10 mm de  acero inoxidable austenítico para minimizar la corrosión.

El acero inoxidable  se puede enrollar en láminas, placas, barras, alambres y tubos. Los aceros inoxidables no necesitan ser pintados ni revestidos, lo que los hace adecuados para su uso en aplicaciones donde se requiere limpieza: en utensilios de cocina, cubiertos e instrumental quirúrgico.

Tipos de aceros inoxidables

El acero inoxidable  es un término genérico para una gran familia de aleaciones resistentes a la corrosión que contienen al menos un 10,5% de cromo y pueden contener otros elementos de aleación. Existen numerosos grados de acero inoxidable con diferentes contenidos de cromo y molibdeno y con una estructura cristalográfica variable para adaptarse al medio ambiente que debe soportar la aleación. Los aceros inoxidables se pueden dividir en cinco categorías:

• Aceros inoxidables ferríticos. En los aceros inoxidables ferríticos, el carbono se mantiene en niveles bajos (C <0,08%) y el contenido de cromo puede oscilar entre el 10,50 y el 30,00%. Por lo general, su uso está limitado a secciones relativamente delgadas debido a la falta de tenacidad en las soldaduras. Además, tienen una resistencia a altas temperaturas relativamente pobre. Los aceros ferríticos se eligen por su resistencia al agrietamiento por corrosión bajo tensión, lo que los convierte en una alternativa atractiva a los aceros inoxidables austeníticos en aplicaciones donde prevalece el SCC inducido por cloruros.
• Aceros inoxidables austeníticos. Los aceros inoxidables austeníticos contienen entre 16 y 25% de Cr y también pueden contener nitrógeno en solución, los cuales contribuyen a su relativamente alta resistencia a la corrosión. Los aceros inoxidables austeníticos tienen la mejor resistencia a la corrosión de todos los aceros inoxidables y tienen excelentes propiedades criogénicas y buena resistencia a altas temperaturas. El grado más conocido es el acero inoxidable AISI 304, que contiene metales de cromo (entre 15% y 20%) y níquel (entre 2% y 10,5%) como principales componentes distintos del hierro. El acero inoxidable 304 tiene una excelente resistencia a una amplia gama de entornos atmosféricos y muchos medios corrosivos. Estas aleaciones generalmente se caracterizan por ser dúctiles, soldables y endurecibles por conformado en frío.
• Aceros inoxidables martensíticos. Los aceros inoxidables martensíticos son similares a los aceros ferríticos en que se basan en cromo, pero tienen niveles de carbono más altos hasta el 1%. A veces se clasifican como aceros inoxidables martensíticos con bajo contenido de carbono y alto contenido de carbono. Tienen una resistencia a la corrosión moderada, pero se consideran duros, fuertes y ligeramente quebradizos. Son magnéticos y pueden probarse de forma no destructiva mediante el método de inspección por partículas magnéticas, a diferencia del acero inoxidable austenítico. Un acero inoxidable martensítico común es el AISI 440C, que contiene del 16 al 18% de cromo y del 0,95 al 1,2% de carbono. El acero inoxidable de grado 440C se utiliza en las siguientes aplicaciones: bloques de calibre, cubiertos, rodamientos de bolas y pistas, moldes y matrices, cuchillos.
• Aceros Inoxidables Dúplex. Los aceros inoxidables dúplex, como su nombre lo indica, son una combinación de dos de los principales tipos de aleaciones. Tienen una microestructura mixta de austenita y ferrita, el objetivo suele ser producir una mezcla 50/50, aunque en las aleaciones comerciales la proporción puede ser 40/60. Su resistencia a la corrosión es similar a la de sus homólogos austeníticos, pero su resistencia a la corrosión bajo tensión (especialmente al agrietamiento por corrosión bajo tensión por cloruro), resistencia a la tracción y límites elásticos (aproximadamente el doble del límite elástico de los aceros inoxidables austeníticos) son generalmente superiores a los de los aceros inoxidables austeníticos. Los grados. Superdúplex Los aceros tienen una mayor resistencia y resistencia a todas las formas de corrosión en comparación con los aceros austeníticos estándar. Los usos comunes son en aplicaciones marinas, plantas petroquímicas, plantas desalinizadoras, intercambiadores de calor e industria de fabricación de papel. Hoy en día, la industria del petróleo y el gas es el mayor usuario y ha impulsado grados más resistentes a la corrosión, lo que ha llevado al desarrollo de aceros superdúplex.
• Aceros inoxidables PH.  Los aceros inoxidables PH (endurecimiento por precipitación) contienen alrededor de un 17% de cromo y un 4% de níquel. Estos aceros pueden desarrollar una resistencia muy alta mediante la adición de aluminio, titanio, niobio, vanadio y / o nitrógeno, que forman precipitados intermetálicos coherentes durante un proceso de tratamiento térmico denominado envejecimiento por calor. De todos los grados de acero inoxidable disponibles, generalmente ofrecen la mejor combinación de alta resistencia junto con excelente tenacidad y resistencia a la corrosión. Son tan resistentes a la corrosión como los austeníticos. Los usos comunes se encuentran en la industria aeroespacial y en algunas otras industrias de alta tecnología.

Aleaciones de aluminio

El aluminio de alta pureza  es un material blando con una resistencia máxima de aproximadamente 10 MPa, lo que limita su facilidad de uso en aplicaciones industriales. El aluminio de pureza comercial (99-99,6%) se vuelve más duro y resistente debido a la presencia de impurezas, especialmente de Si y Fe. Pero cuando se alean, las aleaciones de aluminio son tratables térmicamente, lo que cambia significativamente sus propiedades mecánicas.

Las aleaciones de aluminio  se basan en aluminio, en el que los principales elementos de aleación son Cu, Mn, Si, Mg, Mg + Si, Zn. Las composiciones de aleación de aluminio están registradas en The Aluminum Association. Las aleaciones de aluminio se dividen en 9 familias (Al1xxx a Al9xxx). Las diferentes familias de aleaciones y los principales elementos de aleación son:

• 1xxx: sin elementos de aleación
• 2xxx: cobre
• 3xxx: manganeso
• 4xxx: silicio
• 5xxx: magnesio
• 6xxx: magnesio y silicio
• 7xxx: zinc, magnesio y cobre
• 8xxx: otros elementos que no están cubiertos por otras series

También hay dos clasificaciones principales, a saber,  aleaciones de fundición  y  aleaciones forjadas, las cuales se subdividen en las categorías tratables térmicamente y no tratables térmicamente. Las aleaciones de aluminio que contienen elementos de aleación con una solubilidad sólida limitada a temperatura ambiente y con una fuerte dependencia de la solubilidad del sólido con la temperatura (por ejemplo, Cu) pueden reforzarse mediante un tratamiento térmico adecuado (endurecimiento por precipitación). La resistencia de las aleaciones comerciales de Al tratadas térmicamente supera los 550 MPa.

Las propiedades mecánicas de las aleaciones de aluminio dependen en gran medida de su composición de fase y microestructura. Se puede lograr una alta resistencia, entre otras cosas, mediante la introducción de una fracción de gran volumen de partículas finas de segunda fase distribuidas homogéneamente   y mediante un refinamiento del tamaño de grano. En general, las aleaciones de aluminio se caracterizan por una densidad relativamente baja (2,7 g/cm³ en comparación con 7,9 g/cm³ para acero), alta conductividad eléctrica y térmica y resistencia a la corrosión en algunos entornos comunes, incluida la atmósfera ambiental. La principal limitación del aluminio es su baja temperatura de fusión (660°C), que restringe la temperatura máxima a la que se puede utilizar. Para la producción general, las aleaciones de las series 5000 y 6000 proporcionan una resistencia adecuada combinada con una buena resistencia a la corrosión, alta tenacidad y facilidad de soldadura.

El aluminio y sus aleaciones se utilizan ampliamente en aplicaciones aeroespaciales, automotrices, arquitectónicas, litográficas, de embalaje, eléctricas y electrónicas. Es el principal material de construcción para la  industria aeronáutica a lo  largo de la mayor parte de su historia. Aproximadamente el 70% de las estructuras de las aeronaves civiles comerciales están hechas de aleaciones de aluminio, y sin el aluminio la aviación civil no sería económicamente viable. La industria automotriz ahora incluye el aluminio como piezas de fundición de motores, ruedas, radiadores y, cada vez más, como partes de la carrocería. El aluminio 6111 y la aleación de aluminio 2008 se utilizan ampliamente para paneles externos de carrocería de automóviles. Los bloques de cilindros y los cárteres suelen estar hechos de aleaciones de aluminio.

Propiedades del acero inoxidable frente a la aleación de aluminio

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 del acero inoxidable frente a la aleación de aluminio

La densidad de una aleación de aluminio típica es de 2,7 g/cm³ (aleación 6061).

La densidad del  acero inoxidable típico  es de 8,0 g/cm³  (acero 304).

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 (N_A = 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 inoxidable frente a la aleación de aluminio

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 inoxidable ligero frente a la aleación de aluminio

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 de la aleación de aluminio 6061 depende en gran medida del temple del material, pero para el temple T6 es de aproximadamente 290 MPa.

La resistencia máxima a la tracción del  acero inoxidable – tipo 304L  es de 485 MPa.

Resistencia máxima a la tracción del  acero inoxidable ferrítico  : el grado 430  es de 480 MPa.

La máxima resistencia a la tracción del  acero inoxidable martensítico  : el grado 440C  es de 760 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 de la aleación de aluminio 6061 depende en gran medida del temple del material, pero para el temple T6 es de unos 240 MPa.

El límite elástico del  acero inoxidable – tipo 304L  es de 170 MPa.

Límite elástico del  acero inoxidable ferrítico  : el grado 430  es 310 MPa.

Límite elástico del  acero inoxidable martensítico – Grado 440C  es 450 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 o 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 de la aleación de aluminio 6061 es de aproximadamente 69 GPa.

El módulo de Young del  acero inoxidable ferrítico  – Grado 430  es 220 GPa.

El módulo de Young del  acero inoxidable martensítico – Grado 440C  es 200 GPa.

El módulo de Young de los  aceros inoxidables dúplex – SAF 2205  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 inoxidable frente a la aleación de aluminio

La dureza Brinell de la aleación de aluminio 6061 depende en gran medida del temple del material, pero para el temple T6 es de aproximadamente 95 MPa.

La dureza Brinell del  acero inoxidable ferrítico  – Grado 430  es de aproximadamente 180 MPa.

La dureza Brinell del  acero inoxidable martensítico  – Grado 440C  es de aproximadamente 270 MPa.

La dureza Brinell de los  aceros inoxidables dúplex – SAF 2205  es de aproximadamente 217 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 inoxidable frente a la aleación de aluminio

Las propiedades térmicas  de los materiales se refieren a la respuesta de los materiales a los cambios de  thermodynamics/thermodynamic-properties/what-is-temperature-physics/»>temperatura y a la aplicación de calor. A medida que un sólido absorbe thermodynamics/what-is-energy-physics/»>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 inoxidable frente a la aleación de aluminio

El punto de fusión de la aleación de aluminio 6061 es de alrededor de 600°C.

El punto de fusión del  acero inoxidable – acero tipo 304  es de alrededor de 1450°C.

Punto de fusión del  acero inoxidable ferrítico:  el acero de grado 430  es de alrededor de 1450°C.

Punto de fusión del  acero inoxidable martensítico:  el acero de grado 440C  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 inoxidable frente a la aleación de aluminio

La conductividad térmica de la aleación de aluminio 6061 es de 150 W/(mK).

La conductividad térmica del  acero inoxidable – tipo 304  es de 20 W/(mK).

La conductividad térmica del  acero inoxidable ferrítico – Grado 430  es 26 W/(mK).

La conductividad térmica del  acero inoxidable martensítico – Grado 440C  es 24 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.

Ver arriba:
Aleaciones

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 alterado 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

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  Acero. 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 resistencia. Debido a su muy alta resistencia, pero aún sustancial dureza, y su capacidad de ser alterado 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:

  • 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 de material 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.
  • Aceros Medio Carbono. El acero con contenido medio de carbono tiene aproximadamente un 0,3–0,6% de contenido de carbono. Equilibra la ductilidad y la fuerza y ​​tiene 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, y también podría utilizarse en rieles y ruedas de ferrocarril.
  • 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. Los aceros con alto contenido de carbono se pueden utilizar para resortes, cables, martillos, destornilladores y llaves.
  • 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 que pueden ser templados a 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.
• Aceros Aleados. El acero es una aleación de hierro y carbono, pero el término acero de aleación generalmente solo se refiere a aceros que contienen otros elementos, como vanadio, molibdeno o cobalto, en cantidades suficientes para alterar las propiedades del acero base. En general, el acero aleado es acero que se alea con una variedad de elementos en cantidades totales entre 1.0% y 50% en peso para mejorar sus propiedades mecánicas. Los aceros aleados se dividen en dos grupos:
  • Aceros de baja aleación
  • Aceros de alta aleación
• Acero inoxidable. Los aceros inoxidables se definen como aceros bajos en carbono con al menos un 10% de cromo con o sin otros elementos de aleación. Su fuerza y ​​resistencia a la corrosión a menudo lo convierten en el material de elección en equipos de transporte y procesamiento, piezas de motores y armas de fuego. El cromo aumenta la dureza, la fuerza y ​​la resistencia a la corrosión. El níquel brinda beneficios similares pero agrega dureza sin sacrificar la ductilidad y tenacidad. También reduce la expansión térmica para una mejor estabilidad dimensional.

Superaleaciones

Las superaleaciones, o  aleaciones de alto rendimiento, son aleaciones no ferrosas que exhiben una resistencia  y estabilidad de superficie sobresalientes  a altas temperaturas . Su capacidad para operar de manera segura a una alta fracción de su punto de fusión (hasta el 85% de sus puntos de fusión (T_m) expresados ​​en grados Kelvin, 0,85) son sus características clave. Las superaleaciones  se utilizan generalmente a temperaturas superiores a 540°C (1000°F), ya que a estas temperaturas el acero ordinario y las aleaciones de titanio están perdiendo su resistencia, también la corrosión es común en los aceros a esta temperatura. A altas temperaturas, las superaleaciones conservan la resistencia mecánica, la resistencia a  la fluencia térmica deformación, estabilidad superficial y resistencia a la corrosión u oxidación. Algunas superaleaciones a base de níquel pueden soportar temperaturas superiores a 1200°C, dependiendo de la composición de la aleación. Las superaleaciones a menudo se moldean como un solo cristal, mientras que los límites de grano pueden proporcionar resistencia, disminuyen la resistencia a la fluencia.

Inicialmente se desarrollaron para su uso en turbocompresores de motores de pistón de aviones. Hoy en día, la aplicación más común es en  componentes de turbinas de aviones, que deben resistir la exposición a entornos muy oxidantes y altas temperaturas durante períodos de tiempo razonables. Las aplicaciones actuales incluyen:

• Turbinas de gas para aeronaves
• Centrales eléctricas de turbinas de vapor
• Aplicaciones médicas
• Vehículos espaciales y motores de cohetes
• Equipo de tratamiento térmico
• Plantas de energía nuclear

El níquel  es el elemento base de las superaleaciones, que son un grupo de aleaciones de níquel, hierro-níquel y cobalto que se utilizan en los motores a reacción. Estos metales tienen una excelente resistencia a la deformación por fluencia térmica y conservan su rigidez, resistencia, tenacidad y estabilidad dimensional a temperaturas mucho más altas que los otros materiales estructurales aeroespaciales.

Propiedades del acero frente a las superaleaciones

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 del acero frente a las superaleaciones

La densidad del acero típico es de 8,05 g/cm³.

La densidad de una superaleación típica  es de 8,22 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 (N_A = 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 frente a las superaleaciones

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 frente a las superaleaciones

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.

Resistencia máxima a la tracción de la superaleación: Inconel 718 depende del proceso de tratamiento térmico, pero es de aproximadamente 1200 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 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 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.

Límite elástico de la superaleación: Inconel 718 depende del proceso de tratamiento térmico, pero es de aproximadamente 1030 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.

Módulo de Young de la superaleación: Inconel 718 es 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 frente a las superaleaciones

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 dureza Brinell de la superaleación: Inconel 718 depende del proceso de tratamiento térmico, pero es de aproximadamente 330 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 frente a las superaleaciones

Las propiedades térmicas  de los materiales se refieren a la respuesta de los materiales a los cambios de  thermodynamics/thermodynamic-properties/what-is-temperature-physics/»>temperatura y a la aplicación de calor. A medida que un sólido absorbe thermodynamics/what-is-energy-physics/»>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 frente a las superaleaciones

El punto de fusión del  acero con bajo contenido de carbono  es de alrededor de 1450°C.

Punto de fusión de la superaleación: el acero Inconel 718 es de alrededor de 1400°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 frente a las superaleaciones

La conductividad térmica del acero típico  es de 20 W/(mK).

La conductividad térmica de la superaleación – Inconel 718 es 6,5 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.

Ver arriba:
Aleaciones

Aceros inoxidables

En metalurgia, el  acero inoxidable  es una aleación de acero con al menos un 10,5% de cromo con o sin otros elementos de aleación y un máximo de 1,2% de carbono en masa. Los aceros inoxidables, también conocidos como aceros inox o inox de francés inoxidables (inoxidables), son  aleaciones de acero muy conocidas por su  resistencia a la corrosión, que aumenta al aumentar el contenido de cromo. La resistencia a la corrosión también se puede mejorar mediante la adición de níquel y molibdeno. La resistencia de estas aleaciones metálicas a los efectos químicos de los agentes corrosivos se basa en la  pasivación . Para que se produzca la pasivación y se mantenga estable, la  aleación Fe-Cr  debe tener un  contenido mínimo de cromo de aproximadamente el 10,5% en peso, por encima del cual puede ocurrir la pasividad y por debajo del cual es imposible. El cromo se puede utilizar como elemento de endurecimiento y se utiliza con frecuencia con un elemento de endurecimiento como el níquel para producir propiedades mecánicas superiores.

Usos de los aceros inoxidables – Aplicaciones

La fuerza y ​​la resistencia a la corrosión del  acero inoxidable a  menudo lo convierten en el material de elección en equipos de transporte y procesamiento, piezas de motores y armas de fuego. La mayoría de las aplicaciones estructurales se producen en las industrias de la ingeniería química y energética, que representan más de la tercera parte del mercado de productos de acero inoxidable. La amplia variedad de aplicaciones incluye  recipientes de reactores nucleares,  intercambiadores de calor. El cuerpo de la vasija del reactor está construido con  acero al carbono de baja aleación de alta calidad, pero todas las superficies que entran en contacto con el refrigerante del reactor (altamente corrosivo debido a la presencia de ácido bórico)  están revestidas  con un mínimo de aproximadamente 3 a 10 mm de  acero inoxidable austenítico para minimizar la corrosión.

El acero inoxidable  se puede enrollar en láminas, placas, barras, alambres y tubos. Los aceros inoxidables no necesitan ser pintados ni revestidos, lo que los hace adecuados para su uso en aplicaciones donde se requiere limpieza: en utensilios de cocina, cubiertos e instrumental quirúrgico.

Tipos de aceros inoxidables

El acero inoxidable  es un término genérico para una gran familia de aleaciones resistentes a la corrosión que contienen al menos un 10,5% de cromo y pueden contener otros elementos de aleación. Existen numerosos grados de acero inoxidable con diferentes contenidos de cromo y molibdeno y con una estructura cristalográfica variable para adaptarse al medio ambiente que debe soportar la aleación. Los aceros inoxidables se pueden dividir en cinco categorías:

• Aceros inoxidables ferríticos. En los aceros inoxidables ferríticos, el carbono se mantiene en niveles bajos (C <0,08%) y el contenido de cromo puede oscilar entre el 10,50 y el 30,00%. Por lo general, su uso está limitado a secciones relativamente delgadas debido a la falta de tenacidad en las soldaduras. Además, tienen una resistencia a altas temperaturas relativamente pobre. Los aceros ferríticos se eligen por su resistencia al agrietamiento por corrosión bajo tensión, lo que los convierte en una alternativa atractiva a los aceros inoxidables austeníticos en aplicaciones donde prevalece el SCC inducido por cloruros.
• Aceros inoxidables austeníticos. Los aceros inoxidables austeníticos contienen entre 16 y 25% de Cr y también pueden contener nitrógeno en solución, los cuales contribuyen a su relativamente alta resistencia a la corrosión. Los aceros inoxidables austeníticos tienen la mejor resistencia a la corrosión de todos los aceros inoxidables y tienen excelentes propiedades criogénicas y buena resistencia a altas temperaturas. El grado más conocido es el acero inoxidable AISI 304, que contiene metales de cromo (entre 15% y 20%) y níquel (entre 2% y 10,5%) como principales componentes distintos del hierro. El acero inoxidable 304 tiene una excelente resistencia a una amplia gama de entornos atmosféricos y muchos medios corrosivos. Estas aleaciones generalmente se caracterizan por ser dúctiles, soldables y endurecibles por conformado en frío.
• Aceros inoxidables martensíticos. Los aceros inoxidables martensíticos son similares a los aceros ferríticos en que se basan en cromo, pero tienen niveles de carbono más altos hasta el 1%. A veces se clasifican como aceros inoxidables martensíticos con bajo contenido de carbono y alto contenido de carbono. Tienen una resistencia a la corrosión moderada, pero se consideran duros, fuertes y ligeramente quebradizos. Son magnéticos y pueden probarse de forma no destructiva mediante el método de inspección por partículas magnéticas, a diferencia del acero inoxidable austenítico. Un acero inoxidable martensítico común es el AISI 440C, que contiene del 16 al 18% de cromo y del 0,95 al 1,2% de carbono. El acero inoxidable de grado 440C se utiliza en las siguientes aplicaciones: bloques de calibre, cubiertos, rodamientos de bolas y pistas, moldes y matrices, cuchillos.
• Aceros Inoxidables Dúplex . Los aceros inoxidables dúplex, como su nombre indica, son una combinación de dos de los principales tipos de aleaciones. Tienen una microestructura mixta de austenita y ferrita, el objetivo suele ser producir una mezcla 50/50, aunque en las aleaciones comerciales la proporción puede ser 40/60. Su resistencia a la corrosión es similar a la de sus homólogos austeníticos, pero su resistencia a la corrosión bajo tensión (especialmente al agrietamiento por corrosión bajo tensión por cloruro), resistencia a la tracción y límites elásticos (aproximadamente el doble del límite elástico de los aceros inoxidables austeníticos) son generalmente superiores a los de los aceros inoxidables austeníticos. Los grados. Superdúplex Los aceros tienen una mayor resistencia y resistencia a todas las formas de corrosión en comparación con los aceros austeníticos estándar. Los usos comunes son en aplicaciones marinas, plantas petroquímicas, plantas desalinizadoras, intercambiadores de calor e industria de fabricación de papel. Hoy en día, la industria del petróleo y el gas es el mayor usuario y ha impulsado grados más resistentes a la corrosión, lo que ha llevado al desarrollo de aceros superdúplex.
• Aceros inoxidables PH.  Los aceros inoxidables PH (endurecimiento por precipitación) contienen alrededor de un 17% de cromo y un 4% de níquel. Estos aceros pueden desarrollar una resistencia muy alta mediante la adición de aluminio, titanio, niobio, vanadio y / o nitrógeno, que forman precipitados intermetálicos coherentes durante un proceso de tratamiento térmico denominado envejecimiento por calor. De todos los grados de acero inoxidable disponibles, generalmente ofrecen la mejor combinación de alta resistencia junto con excelente tenacidad y resistencia a la corrosión. Son tan resistentes a la corrosión como los austeníticos. Los usos comunes se encuentran en la industria aeroespacial y en algunas otras industrias de alta tecnología.

Acero carbono

Los aceros al carbono  son aleaciones de hierro-carbono que pueden contener concentraciones apreciables de otros elementos de aleación. Los aceros al carbono simples  son aleaciones de hierro y carbono cuyas propiedades se derivan principalmente de la presencia de carbono. Algunos elementos incidentales como el manganeso, el silicio, el azufre y el fósforo están presentes en pequeñas cantidades debido al método de fabricación de los aceros y, sin modificar las propiedades mecánicas. Agregar una pequeña cantidad de carbono no metálico al hierro cambia su  gran ductilidad  por una  mayor resistencia. Debido a su muy alta resistencia, pero aún una dureza sustancial, y su capacidad de 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:

• 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 de material 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.
• Aceros Medio Carbono. El acero con contenido medio de carbono tiene aproximadamente un 0,3–0,6% de contenido de carbono. Equilibra la ductilidad y la fuerza y ​​tiene 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, y también podría utilizarse en rieles y ruedas de ferrocarril.
• 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. Los aceros con alto contenido de carbono se pueden utilizar para resortes, cables, martillos, destornilladores y llaves.
• Acero 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 que pueden ser templados a 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 inoxidable frente al acero al 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 del acero inoxidable frente al acero al carbono

La densidad del  acero inoxidable típico  es de 8,0 g/cm³  (acero 304).

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 (N_A = 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 inoxidable frente al acero al 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 inoxidable frente al acero al 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 máxima resistencia a la tracción del  acero inoxidable – tipo 304L  es de 485 MPa.

Resistencia máxima a la tracción del  acero inoxidable ferrítico – el grado 430  es de 480 MPa.

La máxima resistencia a la tracción del  acero inoxidable martensítico – el grado 440C  es de 760 MPa.

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 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 elasticidad

El límite elástico del  acero inoxidable – tipo 304L  es de 170 MPa.

Límite elástico del  acero inoxidable ferrítico – el grado 430  es 310 MPa.

Límite elástico del  acero inoxidable martensítico – el grado 440C  es de 450 MPa.

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 inoxidable – tipo 304 y 304L  es 193 GPa.

El módulo de Young del  acero inoxidable ferrítico  – Grado 430  es 220 GPa.

El módulo de Young del  acero inoxidable martensítico – Grado 440C  es 200 GPa.

El módulo de Young de los  aceros inoxidables dúplex – SAF 2205  es 200 GPa.

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 inoxidable frente al acero al carbono

La dureza Brinell del  acero inoxidable – tipo 304  es de aproximadamente 201 MPa.

La dureza Brinell del  acero inoxidable ferrítico  – Grado 430  es de aproximadamente 180 MPa.

La dureza Brinell del  acero inoxidable martensítico  – Grado 440C  es de aproximadamente 270 MPa.

La dureza Brinell de los  aceros inoxidables dúplex – SAF 2205  es de aproximadamente 217 MPa.

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 inoxidable frente al acero al carbono

Las propiedades térmicas  de los materiales se refieren a la respuesta de los materiales a los cambios de  thermodynamics/thermodynamic-properties/what-is-temperature-physics/»>temperatura y a la aplicación de calor. A medida que un sólido absorbe thermodynamics/what-is-energy-physics/»>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 inoxidable frente al acero al carbono

El punto de fusión del  acero inoxidable – acero tipo 304  es de alrededor de 1450°C.

Punto de fusión del  acero inoxidable ferrítico:  el acero de grado 430  es de alrededor de 1450°C.

Punto de fusión del  acero inoxidable martensítico:  el acero de grado 440C  es de alrededor de 1450°C.

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 inoxidable frente al acero al carbono

La conductividad térmica del  acero inoxidable – tipo 304  es de 20 W/(mK).

La conductividad térmica del  acero inoxidable ferrítico – Grado 430  es 26 W/(mK).

La conductividad térmica del  acero inoxidable martensítico – Grado 440C  es 24 W/(mK).

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 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.

Ver arriba:
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