Clase 8 aleaciones para ingeniería 1

ALEACIONES PARA INGENIERÍA 1

Lima, mayo del 2014

PRODUCCIÓN DEL HIERRO Y EL ACERO

Dr. Ingº FORTUNATO ALVA DAVILA


Las aleaciones metálicas, como aceros al carbono

simple, aceros de aleación, aceros inoxidables, hierro

fundido y aleaciones de cobre, son utilizados para

fabricar diversos elementos de máquinas.

Por ejemplo:

Aceros al cromo: Engranajes de transmisión para automóviles.

Aceros al cromo –molibdeno: Engranajes de turbinas a gas

para aviones.

Aceros al níquel – molibdeno: Equipos de excavación de

tierra.

Algunas aleaciones de cobre: Fabricación de engranajes

para cargas pequeñas.

Los metales y las aleaciones tienen muchas propiedades

que son útiles en ingeniería.

El hierro y sus aleaciones representan casi 90 % de

la producción mundial de metales, por su

satisfactoria combinación de la resistencia, tenacidad

y ductilidad, a costo relativamente bajo.

Las aleaciones a base de hierro se llaman aleaciones

ferrosas y las que se basan en otros metales se llaman

aleaciones no ferrosas.



Tabla 4.1 Precios ($/lb) de algunos metales en mayo de 2001 y Mayo (2013)

Acero 0,27 (0,25)Aluminio 0,67 (1,25)Cobre 0,76 (3,82)Magnesio 3,29Zinc 0,45 (1,00)Plomo 0,22 (1,14) Níquel 2,74 (12,17)Estaño 2,30 (14,15)Titanio 3,85Oro 3108 (24 320)Plata 52,00 (608)Platino (1 820)

Producción de arrabio en un alto horno

La mayor parte del hierro se extrae de mineral de hierro

en altos hornos que son muy grandes (figura 4.1).

En el alto horno, el coque (carbono) actúa como

agente reductor para reducir óxidos de hierro

(principalmente Fe2O3) para producir arrabio en bruto,

el cual contiene casi 4%C, además de otras impurezas,

de acuerdo con la siguiente reacción típica:

Fe2O3 + 3CO 2 Fe + 3CO→ 2



Figura 4.1 Corte transversal de la operación general de un alto horno moderno

El arrabio del alto horno se transfiere usualmente en

estado líquido a un horno para fabricar acero.

Arrabio: Es el metal fundido, obtenido en el alto

horno por reducción del mineral de hierro.

El arrabio constituye la materia prima de la industria del

hierro y del acero.


FABRICACION DE ACERO

Los aceros al carbono simples, son aleaciones de

hierro y carbono que contienen hasta 1,2%C

aproximadamente. Sin embargo, la mayoría de los

aceros contienen menos de 0,5%C.

La mayoría de los aceros se fabrican mediante la

oxidación del carbono y otras impurezas del arrabio.



d) FABRICACION DE ACERO:

Para convertir el arrabio en acero, es el proceso

básico de oxígeno. El arrabio y hasta 30% de chatarra

de acero se introducen a un convertidor con

revestimiento refractario, en forma de barril, en el cual

se inserta una lanza de oxigeno (fig.4.2).

El oxígeno puro proveniente de la lanza reacciona con el

baño líquido para formar óxido de hierro. En seguida, el

carbono del acero reacciona con el óxido de hierro y

forma monóxido de carbono: FeO + C → Fe + CO


FABRICACION DE ACERO:

Figura 4.2 Fabricación de acero en un horno básico de oxígeno

rU



Inmediatamente antes que comience la reacción del oxígeno se

agregan cantidades controladas de fundentes (principalmente

cal) que forman escoria.

En este proceso, el contenido de carbono del acero se

puede reducir de manera rápida en casi 22 minutos, al

tiempo que se reduce la concentración de impurezas como

azufre y fósforo (figura 4.3).

- PRODUCCIÓN DEL HIERRO Y EL ACERO


Figura 4.3 Representación esquemática del proceso de refinación en un recipiente forrado básico, soplado por arriba



El acero derretido que viene del convertidor se vierte en

moldes estacionarios o se vacía continuamente en largas

planchas de las cuales se cortan periódicamente grandes

secciones.

Casi la mitad del acero en bruto se produce mediante el

reciclaje de acero viejo, como la chatarra de automóviles y

antiguos aparatos electrodomésticos.

FABRICACIÓN DE ACERO:

Después de ser fundidos, los lingotes se calientan en un horno

y se laminan en caliente para formar planchas y

palanquillas.

Después las planchas se laminan en caliente y en frío para

formar láminas y placas de acero.

Las palanquillas billet, se laminan en caliente y en frío para

formar barras, varillas y alambre.

Las palanquillas bloom, se laminan en caliente y en frío para

crear perfiles como vigas en doble T y rieles. La fig.4.5 es

un diagrama de flujo de los pasos del proceso para convertir

las materias primas en importantes productos de acero.


PRODUCCIÓN DEL HIERRO Y EL ACEROFABRICACIÓN DE ACERO:


δ

FABRICACIÓN DE ACERO:

Figura 4.5 Diagrama de flujo que muestra los principales pasos del proceso necesario para convertir materias primas en las principales formas del producto.


EL SISTEMA HIERRO-CARBONO

Aceros al carbono simples: Son las aleaciones de

hierro y carbono que contienen desde una cantidad

muy pequeña de carbono 0,03 C%) hasta 1,2 %C,

de 0,25 a 1,0% de manganeso y cantidades

menores de otros elementos. Sin embargo, los aceros

al carbono simples se consideran esencialmente como

aleaciones binarias de hierro y carbono.

PRODUCCIÓN DEL HIERRO Y EL ACERODiagrama de fases hierro- hierro- carburo

Las fases presentes en las aleaciones de hierro y carbono

enfriadas muy lentamente a diversas temperaturas y con

diferentes composiciones de hierro hasta llegar a 6,67 %C, se

muestran en el diagrama de fases Fe-Fe3C de la fig.4.6.

En ciertas condiciones, el Fe3C, que se llama cementita, se

puede descomponer en las fases de hierro y carbono

(grafito) que son más estables. Sin embargo, el Fe3C es muy

estable en la mayoría de las condiciones prácticas y, por lo

tanto, se considerará como una fase de equilibrio

PRODUCCIÓN DEL HIERRO Y EL ACEROFases sólidas en el diagrama de fases Fe-Fe3C

El diagrama Fe-Fe3C contiene las siguientes fases sólidas:

Ferritaα, austenita(γ), cementita (Fe3C) y

Ferritaδ.

Ferritaα. Esta fase es una solución sólida instersticial

de carbono en una estructura cristalina BCC. Se

indica en el diagrama de fases Fe-Fe3C, el carbono es

sólo ligeramente soluble en ferritaα y alcanza una

solubilidad de sólidos máxima de 0,02%C a 723°C.

La solubilidad del carbono en ferritaα disminuye a

0,005 C% a 0°C.

Fases sólidas en el diagrama de fases Fe-Fe3C

Austenita(γ).

Es la solución sólida intersticial del carbono en hierroγ.

La austenita tiene una estructura cristalina FCC y una

solubilidad sólida mucho más alta para el carbono que

la ferrita α. La solubilidad sólida del carbono en la

austenita alcanza un máximo de 2,08% a 1148°C

y disminuye a 0,8 % a 723°C (fig.4.6).




Figura 4.6 Diagrama de fases del carburo hierro-hierro



Cementita(Fe3C). Es el compuesto intermetálico Fe3C.

La cementita tiene límites de solubilidad insignificantes y una

composición de 6,67% C y 93,3% Fe. La cementita es un

compuesto duro y frágil.

Ferritaδ . Es la solución sólida intersticial de carbono en

hierro δ .

Tiene una estructura cristalina BCC igual que la ferritaα , pero

con una constante de red más alta. La solubilidad sólida

máxima del carbono en la ferrita δ es de 0,09 C% a 1 465°C.


REACCIONES INVARIANTES EN EL DIAGRAMA DE FASES Fe-Fe3C

Reacción peritéctica. En el punto de reacción

peritéctica, el líquido con 0,53%C se combina con

Ferritaδ de 0,09%C para formar Austenitaγ de

0,17%C. Esta reacción que ocurre a 1495ºC, puede

escribirse así:

1 495ºC

Líquido (0,53% C) + δ (0,09% C) γ (0,17% C)

LaFerritaδ, es una fase de alta temperatura y, por lo

tanto, no se encuentra en los aceros al carbono

simples a temperaturas más bajas.

Reacción eutéctica.

En el punto de reacción eutéctica, el líquido de 4,3% C

forma austenitaγ de 2,08% C y el compuesto

intermetálico Fe3C (cementita), que contiene 6,67% C.

Esta reacción, que ocurre a 1148ºC, puede escribirse

así:1 148ºC

Líquido (4,3% C) austenitaγ (2,08% C)+ Fe3C (6,67% C)

Esta reacción no se produce en los aceros al carbono simples porque su contenido de carbono es demasiado bajo.


PRODUCCIÓN DEL HIERRO Y EL ACEROReacción eutectoide.

En el punto de reacción eutectoide, la austenita sólida

de 0,8%C produce Ferritaα con 0,02%C y Fe3C

(cementita) que contiene 6,67%C. Esta reacción que

ocurre a 723% C, puede escribirse así:

723º Caustenitaγ (0,8% C) Ferritaα(0,02% C)+ Fe3C (6,67% C)

Esta reacción eutectoide, que se produce íntegramente

en estado sólido, es importante para algunos

tratamientos térmicos de aceros al carbono simples.

PRODUCCIÓN DEL HIERRO Y EL ACEROAcero eutectoide

Es un acero al carbono simple que contiene 0,8%C,

cuando la austenita de esta composición es enfriada

lentamente a menor temperatura de la eutectoide se

forma una estructura totalmente eutectoide de ferrita

α y Fe3C.

Acero hipoeutectoide,

Es un acero al carbono simple que contiene menos de

0,8% C.

Acero hipereutectoide,

Es un acero que contiene más de 0,8%C.

Aceros eutectoides al carbono simples.

ENFRIAMIENTO LENTO DE ACEROS AL CARBONO SIMPLES

Figura 4.7 Transformación de un acero eutectoide (0,8% C) bajo enfriamiento lento

Al enfriarse hasta la temperatura eutectoide o apenas por debajo de ella, toda la estructura de austenita se transformará en una estructura laminar de placas alternadas de ferritaα y cementita (Fe3C).


Aceros eutectoides al carbono simples

Apenas por abajo de la temperatura eutectoide, en el

punto b de la figura 4.7, la estructura laminar aparecerá como

se muestra en la figura 4.8.

Esta estructura eutoctoide

se llama perlita.

Figura 4.8 Microestructura de un acero eutectoide enfriado lentamente


Aceros al carbono simples hipoeutectoides.Si una muestra de acero al carbono simple con 0,4% C (acero tipo eutectoide) se calienta a casi 900°C (punto a en la fig.4.9) durante suficiente tiempo, su estructura llegará a ser de austenita homogénea. Después, si ese acero se enfría lentamente hasta la temperatura b de la fig.4.9 (casi 775°C), la ferrita proeutectoide sufre una nucleación y crece especialmente en los límites del grano austenítico.

Figura 4.9 Transformación de un acero al carbono simple hipoeutectoide con 0,4% C mediante enfriamiento lento


Aceros al carbono simples hipoeutectoides.Si esta aleación se enfría lentamente desde la temperatura b hasta c de la fig.4.9, la cantidad de ferrita proeutectoide formada seguirá incrementándose hasta que casi 50% de la austenita se haya transformado. Mientras el acero se enfría de b a c, el contenido de carbono de la austenita restante se incrementa de 0,4 a 0,8%C.

A 723°C, si persisten las condiciones de enfriamiento lento, la austenita restante se transformará isotérmicamente en perlita mediante la reacción eutectoide austenita→ ferrita + cementita.

Figura 4.9 Transformación de un acero al carbono simple hipoeutectoide con 0,4% C mediante enfriamiento lento

ENFRIAMIENTO LENTO DE ACEROS AL CARBONO SIMPLESAceros al carbono simples hipoeutectoides.

La ferrita α contenida en la perlita se llama ferrita eutectoide para distinguirla de la ferrita proeutectoide que se forma primero arriba de 723°C. La fig.4.10 es una micrografía óptica de la estructura de un acero hipoeutectoide de 0,35% C que se austenitizó y luego se enfrió lentamente hasta la temperatura ambiente.

Figura 4.10 Microestructura de acero al carbono simple hipoeutectoide con 0,35% C. El componente blanco es ferrita proeutectoide; el componente oscuro es perlita


Aceros al carbono simples hipereutectoides.Si una muestra de acero al carbono simple con 1,2%C (acero hipereutectoide) es calentada a casi 950°C y se mantiene así el suficiente tiempo, toda su estructura llegará a estar formada esencialmente por austenita (punto a de la fig.4.11). Después, si ese acero se enfría muy lentamente hasta la temperatura b la cementita proeutectoide empezará a nuclearse y crecerá principalmente en los límites del grano de la austenita.

Fig 4.11 Transformación por enfriamiento lento de un acero al carbono simple hipereutectoide con 1,2% de C.

Aceros al carbono simples hipereutectoides.Si se sigue enfriando lentamente hasta llegar al punto c de la figura 4.11, el cual se encuentra apenas arriba de los 723°C, se producirá más cementita protoeutectoide lo que sucederá en las fronteras de grano de la austenita.

Si las condiciones próximas al equilibrio se mantienen mediante enfriamiento lento, el contenido general de carbono de la austenita restante en la aleación cambiará de 1,2 a 0,8% C.


Figura 4.11 Transformación por enfriamiento lento de un acero al carbono simple hipereutectoide con 1,2% de C.


Aceros al carbono simples hipereutectoides Si el enfriamiento lento continúa hasta 723°C o ligeramente por debajo, la austenita restante se transformará en perlita por la reacción eutectoide, según se indica en el punto d de la fig.4.11.

La cementita formada por la reacción eutectoide se llama cementita eutectoide para distinguirla de la cementita proeutectoide que se forma a temperaturas arriba de los 723°C.

Figura 4.11 Transformación por enfriamiento lento de un acero

al carbono simple hipereutectoide con 1,2% de C.

Definiciones importantesAustenita (Fase γ en un diagrama de fases de Fe - Fe3C): solución sólida intersticial de carbono en hierro FCC; la máxima solubilidad sólida del carbono en austenita es 2,0% C.

Ferrita α (Fase α en un diagrama de fases de Fe-Fe3C): solución sólida intersticial de carbono en hierro con estructura cúbica BCC; la máxima solubilidad sólida del carbono en hierro es 0,02%C.

Cementita: Compuesto intermetálico Fe3C; sustancia dura y quebradiza.

Perlita: Mezcla de fases de ferrita α y cementita Fe3C en placas paralelas (estructura laminar) producida por la descomposición eutectoide de la austenita.

Definiciones importantesFerrita α eutectoide:Ferrita α que se forma durante la descomposición eutectoide de la austenita; la ferritaα contenida en la perlita.

Cementita eutectoide (Fe3C): la cementita que se forma durante la descomposición eutectoide de la austenita; la cementita contenida en la perlita.

Eutectoide (acero al carbono simple): acero con 0,8%C.

Hipoeutectoide(acero al carbono simple):acero con menos de 0,8%C.

Hipereutectoide(acero al carbono simple); acero entre 0,8 y 2,0%C

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