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.
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%. Se denominan aleaciones ferríticas porque contienen principalmente microestructuras ferríticas a todas las temperaturas y no pueden endurecerse mediante tratamiento térmico y enfriamiento. Están clasificados con designaciones de la serie AISI 400. Si bien algunos grados ferríticos contienen molibdeno (hasta un 4,00%), solo el cromo está presente como principal elemento de aleación metálica. 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. Están clasificados con designaciones de serie AISI 200 o 300; los grados de la serie 300 son aleaciones de cromo-níquel, y los de la serie 200 representan un conjunto de composiciones en las que el manganeso y / o el nitrógeno reemplazan parte del níquel. 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. Poseen una microestructura cúbica centrada en la cara (fcc) que no es magnética y se pueden soldar fácilmente. Esta estructura cristalina de austenita se logra mediante adiciones suficientes de los elementos estabilizadores de austenita níquel, manganeso y nitrógeno. El acero inoxidable austenítico es la familia más grande de aceros inoxidables y representa aproximadamente dos tercios de toda la producción de acero inoxidable. Su límite elástico es bajo (200 a 300 MPa), lo que limita su uso para componentes estructurales y de soporte de carga. No pueden endurecerse mediante tratamiento térmico, pero tienen la útil propiedad de poder endurecerse con el trabajo a niveles de alta resistencia al tiempo que conservan un nivel útil de ductilidad y tenacidad. Los aceros inoxidables dúplex tienden a preferirse en tales situaciones debido a su alta resistencia y resistencia a la corrosión. No pueden endurecerse mediante tratamiento térmico, pero tienen la útil propiedad de poder endurecerse con el trabajo a niveles de alta resistencia al tiempo que conservan un nivel útil de ductilidad y tenacidad. Los aceros inoxidables dúplex tienden a preferirse en tales situaciones debido a su alta resistencia y resistencia a la corrosión. No pueden endurecerse mediante tratamiento térmico, pero tienen la útil propiedad de poder endurecerse con el trabajo a niveles de alta resistencia al tiempo que conservan un nivel útil de ductilidad y tenacidad. Los aceros inoxidables dúplex tienden a preferirse en tales situaciones debido a su alta resistencia y resistencia a la corrosión.
El grado más conocido es el 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. Contienen de 12 a 14% de cromo, de 0,2 a 1% de molibdeno y ninguna cantidad significativa de níquel. Cantidades más altas de carbono permiten que se endurezcan y revengan de forma muy similar a como ocurre con los aceros al carbono y de baja aleación. 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 patrón, cubiertos, rodamientos de bolas y pistas, moldes y matrices, cuchillos. Como se escribió, los aceros inoxidables martensíticos se pueden endurecer y templar a través de múltiples formas de envejecimiento / tratamiento térmico: Los mecanismos metalúrgicos responsables de las transformaciones martensíticas que tienen lugar en estas aleaciones inoxidables durante la austenización y el temple son esencialmente los mismos que se utilizan para Endurecer los aceros aleados y al carbono con un contenido inferior de aleación. El tratamiento térmico generalmente consta de tres pasos: Los mecanismos metalúrgicos responsables de las transformaciones martensíticas que tienen lugar en estas aleaciones inoxidables durante la austenización y el temple son esencialmente los mismos que se utilizan para endurecer aceros aleados y al carbono con menor contenido de aleaciones. El tratamiento térmico generalmente consta de tres pasos: Los mecanismos metalúrgicos responsables de las transformaciones martensíticas que tienen lugar en estas aleaciones inoxidables durante la austenización y el temple son esencialmente los mismos que se utilizan para endurecer aceros aleados y al carbono con menor contenido de aleaciones. El tratamiento térmico generalmente consta de tres pasos:
Austenitización, en la que el acero se calienta a una temperatura en el rango de 980 – 1050°C dependiendo de los grados. La austenita es una fase cúbica centrada en las caras.- Temple. Después de la austenización, los aceros deben templarse. Las aleaciones de acero inoxidable martensítico se pueden templar utilizando aire en reposo, vacío de presión positiva o templado de aceite interrumpido. La austenita se transforma en martensita, una estructura cristalina tetragonal centrada en el cuerpo duro. La martensita es muy dura y demasiado frágil para la mayoría de las aplicaciones.
- Templado, es decir, calentamiento a alrededor de 500°C, mantenimiento a temperatura, luego enfriamiento por aire. El aumento de la temperatura de revenido disminuye el límite elástico y la resistencia máxima a la tracción, pero aumenta el alargamiento y la resistencia al impacto.
- 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. En los aceros inoxidables dúplex, el carbono se mantiene a niveles muy bajos (C <0,03%). El contenido de cromo varía de 21,00 a 26,00%, el contenido de níquel varía de 3,50 a 8,00% y estas aleaciones pueden contener molibdeno (hasta 4,50%). La tenacidad y la ductilidad generalmente se encuentran entre las de los grados austenítico y ferrítico. Los grados dúplex generalmente se dividen en tres subgrupos según su resistencia a la corrosión: dúplex magro, dúplex estándar y superdúplex.Los aceros superdúplex tienen mayor fuerza 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. En la actualidad, 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. A medida que los precipitados coherentes se forman en toda la microestructura, tensan la red cristalina e impiden el movimiento de dislocaciones o defectos en la red cristalina. Dado que las dislocaciones son a menudo los portadores dominantes de plasticidad, esto sirve para endurecer el material. Por ejemplo, el acero inoxidable 17-4 PH endurecido por precipitación (AISI 630) tiene una microestructura inicial de austenita o martensita. Los grados austeníticos se convierten en grados martensíticos mediante tratamiento térmico (p. Ej. mediante un tratamiento térmico a aproximadamente 1040°C seguido de enfriamiento rápido) antes de que se pueda realizar el endurecimiento por precipitación. El tratamiento de envejecimiento posterior a aproximadamente 475°C precipita fases ricas en Nb y Cu que aumentan la resistencia hasta por encima de 1000 MPa de límite elástico. Sin embargo, a diferencia de las aleaciones austeníticas, el tratamiento térmico fortalece los aceros PH a niveles más altos que las aleaciones martensíticas. Los aceros inoxidables de endurecimiento por precipitación están designados por la serie AISI 600. 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. El tratamiento de envejecimiento posterior a aproximadamente 475 ° C precipita fases ricas en Nb y Cu que aumentan la resistencia hasta por encima de 1000 MPa de límite elástico. Sin embargo, a diferencia de las aleaciones austeníticas, el tratamiento térmico refuerza los aceros PH a niveles más altos que las aleaciones martensíticas. Los aceros inoxidables de endurecimiento por precipitación están designados por la serie AISI 600. 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. El tratamiento de envejecimiento posterior a aproximadamente 475°C precipita fases ricas en Nb y Cu que aumentan la resistencia hasta por encima de 1000 MPa de límite elástico. Sin embargo, a diferencia de las aleaciones austeníticas, el tratamiento térmico refuerza los aceros PH a niveles más altos que las aleaciones martensíticas. Los aceros inoxidables de endurecimiento por precipitación están designados por la serie AISI 600. 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. Los aceros inoxidables de endurecimiento por precipitación están designados por la serie AISI 600. 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. Los aceros inoxidables de endurecimiento por precipitación están designados por la serie AISI 600. 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.
Agentes de aleación en aceros inoxidables
El hierro puro es demasiado blando para ser utilizado con fines de estructura, pero la adición de pequeñas cantidades de otros elementos (carbono, manganeso o silicio, por ejemplo) aumenta en gran medida su resistencia mecánica. Las aleaciones suelen ser más fuertes que los metales puros, aunque por lo general ofrecen una conductividad térmica y eléctrica reducida. La resistencia es el criterio más importante por el cual se juzgan muchos materiales estructurales. Por lo tanto, las aleaciones se utilizan para la construcción de ingeniería. El efecto sinérgico de los elementos de aleación y el tratamiento térmico produce una enorme variedad de microestructuras y propiedades.
- Carbono. El carbono es un elemento no metálico, que es un elemento de aleación importante en todos los materiales a base de metales ferrosos. El carbono siempre está presente en las aleaciones metálicas, es decir, en todos los grados de acero inoxidable y aleaciones resistentes al calor. El carbono es un austenitizador muy fuerte y aumenta la resistencia del acero. De hecho, es el principal elemento endurecedor y es esencial para la formación de la cementita, Fe 3C, perlita, esferoidita y martensita de hierro y carbono. Agregar una pequeña cantidad de carbono no metálico al hierro cambia su gran ductilidad por una mayor resistencia. Si se combina con cromo como componente separado (carburo de cromo), puede tener un efecto perjudicial sobre la resistencia a la corrosión al eliminar parte del cromo de la solución sólida en la aleación y, como consecuencia, reducir la cantidad de cromo disponible para asegurar resistencia a la corrosión.
- Cromo. El cromo aumenta la dureza, la fuerza y la resistencia a la corrosión. El efecto reforzador de la formación de carburos metálicos estables en los límites de los granos y el fuerte aumento de la resistencia a la corrosión hicieron del cromo un importante material de aleación para el acero. 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 11% en peso, por encima del cual puede producirse 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. A temperaturas más altas, el cromo contribuye a una mayor resistencia. Los aceros para herramientas de alta velocidad contienen entre un 3 y un 5% de cromo.
- Níquel. El níquel es uno de los elementos de aleación más comunes. Aproximadamente el 65% de la producción de níquel se utiliza en aceros inoxidables. Debido a que el níquel no forma ningún compuesto de carburo en el acero, permanece en solución en la ferrita, fortaleciendo y endureciendo la fase de ferrita. Los aceros al níquel se tratan térmicamente fácilmente porque el níquel reduce la velocidad de enfriamiento crítica. Las aleaciones a base de níquel (por ejemplo, aleaciones de Fe-Cr-Ni (Mo)) exhiben una excelente ductilidad y tenacidad, incluso a altos niveles de resistencia y estas propiedades se conservan hasta bajas temperaturas. El níquel también reduce la expansión térmica para una mejor estabilidad dimensional. 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.
- Molibdeno. Encontrado en pequeñas cantidades en aceros inoxidables, el molibdeno aumenta la templabilidad y resistencia, particularmente a altas temperaturas. El alto punto de fusión del molibdeno lo hace importante para dar resistencia al acero y otras aleaciones metálicas a altas temperaturas. 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.
- Vanadio. El vanadio generalmente se agrega al acero para inhibir el crecimiento de granos durante el tratamiento térmico. Al controlar el crecimiento del grano, mejora tanto la resistencia como la tenacidad de los aceros templados y revenido.
- Tungsteno. Produce carburos estables y refina el tamaño de grano para aumentar la dureza, particularmente a altas temperaturas. El tungsteno se utiliza ampliamente en aceros para herramientas de alta velocidad y se ha propuesto como sustituto del molibdeno en aceros ferríticos de activación reducida para aplicaciones nucleares.
Resistencia de los aceros inoxidables
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 304 es de 515 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 de los aceros inoxidables dúplex – SAF 2205 es de 620 MPa.
La máxima resistencia a la tracción de los aceros endurecidos por precipitación: el acero inoxidable 17-4PH depende del proceso de tratamiento térmico, pero es de aproximadamente 1000 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 304 es 205 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.
Límite elástico de los aceros inoxidables dúplex – SAF 2205 es 440 MPa.
Límite elástico de los aceros endurecidos por precipitación- el acero inoxidable 17-4PH depende del proceso de tratamiento térmico, pero es de aproximadamente 850 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 de 200 GPa.
El módulo de Young de los aceros endurecidos por precipitación – el acero inoxidable 17-4PH 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.
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