ACEROS: ALEACIONESHIERRO-CARBONO

                          El acero es una aleación de hierro con una pequeña proporción de carbono, que comunica a aquel propiedades especiales tales como dureza y elasticidad. En general, también se pueden fabricar aceros con otros componentes como manganeso, niquel o cromo. El hierro es un constituyente fundamental de algunas de las más importantes aleaciones de la ingeniería. El hierro es un metal alotrópico, por lo que puede existir en más de una estructura reticular dependiendo fundamentalmente de la temperatura. Es uno de los metales más útiles debido a su gran abundancia en la corteza terrestre (constituyendo más del 5% de esta, aunque rara vez se encuentra en estado puro, lo más normal es hallarlo combinado con otros elementos en forma de óxidos, carbonatos o sulfuros) y a que se obtiene con gran facilidad y con una gran pureza comercial. Posee propiedades físicas y mecánicas muy apreciadas y de la más amplia variedad.                       El hierro técnicamente puro, es decir, con menos de 0.008% de carbono, es un metal blanco azulado, dúctil y maleable, cuyo peso específico es 7.87. Funde de 1536.5ºC a 1539ºC reblandeciéndose antes de llegar a esta temperatura, lo que permite forjarlo y moldearlo con facilidad. El hierro es un buen conductor de la electricidad y se imanta fácilmente.  

Aleaciones Fe-C                                  Diagrama de equilibrio de las aleaciones Fe-C               Proceso de enfriamiento lento del acero

  

Tipos de aceros:                Ferrita             Cementita            Perlita             Austenita            Martensita            Bainita            Ledeburita   FORMAS ALOTRÓPICAS DEL HIERRO   

El hierro cristaliza en la variedad alfa hasta la temperatura de 768ºC. La red espacial a la que pertenece es la red cúbica centrada en el cuerpo (BCC). La distancia entreátomos es de 2.86 Å. El hierro alfa no disuelve prácticamenteen carbono, no llegando al 0.008% a temperatura ambiente, teniendo como punto de máxima solubilidad a T=723ºC (0,02%).

 La variedad beta existe de 768ºC a 910ºC.

Cristalográficamente es igual a la alfa, y únicamente la distancia entre átomos es algo mayor: 2.9 Å a 800ºC y 2905ºC a 900ºC.

 La variedad gamma se presenta de 910ºC a 1400ºC.

Cristaliza en la estructura FCC. El cubo de hierro gamma tiene más volumen que el de hierro alfa. El hierro gamma disuelve fácilmente en carbono, creciendo la solubilidad desde 0.85% a 723ºC hasta 1.76% a 1130ºC para decrecer hasta el 0.12% a 1487ºC. Esta variedad de Fe es amagnético.             La variedad delta se inicia a los 1400ºC, observándose, entonces una reducción en el parámetro hasta 2.93Å, y un retorno a la estructura BCC. Su máxima solubilidad de carbono es 0.007% a 1487ºC. Esta variedad es poco interesante desde el punto de vista industrial. A partirde 1537ºC se inicia la fusión del Fe puro.   

ALEACIONES HIERRO-CARBONO               El hierro puro apenas tiene aplicaciones industriales, pero formando aleaciones con el carbono (ademásde otros elementos), es el metal más utilizado en la industria moderna. A la temperatura ambiente, salvo una pequeña parte disuelta en la ferrita, todo el carbono que contienen las aleaciones Fe-C está en forma de carburo de hierro( CFe3 ). Por eso, las aleaciones Fe-C se denominan también aleaciones hierro-carburo de hierro.             Las aleaciones con contenido de C comprendido entre 0.03% y 1.76% tienen características muy bien definidasy se denominan aceros. Los aceros de cualquier proporción de carbono dentro de los límites citados pueden alearse con otros elementos, formando los denominados aceros aleados o aceros especiales. Algunos aceros aleados pueden contener excepcionalmente hasta el 2.5% de C. Los aceros generalmente son forjables, y es ésta una cualidad muy importante que los distingue. Si la proporción de C es superior a 1.76% las aleaciones de Fe-C se denominan fundiciones, siendo la máximaproporción de C aleado del 6.67%, que corresponde a la cementita pura. Las fundiciones, en general, no son forjables.               Tipos de aceros:              En las aleaciones Fe-C pueden encontrarse hasta once constituyentes diferentes, que se denominan: ferrita, cementita, perlita, austenita, martensita, troostita sorbita,bainita, ledeburita, steadita y grafito.                 FERRITA 

            Aunque la ferrita es en realidad una solución sólida de carbono en hierro alfa, su solubilidad a la temperatura ambiente es tan pequeña que no llega a disolver ni un 0.008% de C. Es por esto que prácticamente se considerala ferrita como hierro alfa puro. La ferrita es el más blandoy dúctil constituyente de los aceros. Cristaliza en una estructura BCC. Tiene una dureza de 95 Vickers, y una resistencia a la rotura de 28 Kg/mm2, llegando a un alargamiento del 35 al 40%. Además de todas estas características, presenta propiedades magnéticas. En los aceros aleados, la ferrita suele contener Ni, Mn, Cu, Si, Al en disolución sólida sustitucional. Al microscopio aparece como granos monofásicos, con límites de grano más irregularesque la austenita. El motivo de esto es que la ferrita se ha formado en una transformación en estado sólido, mientras que la austenita, procede de la solidificación.               La ferrita en la naturaleza aparece como elementoproeutectoide que acompaña a la perlita en: 

-         Cristales mezclados con los de perlita (0.55% C)

-         Formando una red o malla que limita los granos de perlita (0.55% a 0.85% de C)

-         Formando agujas en dirección de los planos cristalográficos de la austenita.

    CEMENTITA

             Es carburo de hierro y por tanto su composición es de 6.67% de C y 93.33% de Fe en peso. Es el constituyente más duro y frágil de los aceros, alcanzando una dureza de 960Vickers. Cristaliza formando un paralelepípedo ortorrómbico de gran tamaño. Es magnética hasta los 210ºC, temperatura a partir de la cual pierde sus propiedades magnéticas. Aparece como: 

-         Cementita proeutectoide, en aceros hipereutectoides, formando un red que envuelve a los granos perlíticos.

-         Componente de la perlita laminar.-         Componente de los glóbulos en perlita

laminar.  -         Cementita alargada (terciaria) en las uniones

de los granos (0.25% de C) 

   PERLITA Es un constituyente compuesto por el 86.5% de ferrita y el 13.5% de cementita, es decir, hay 6.4 partes de ferrita y 1 de cementita. La perlita tiene una dureza deaproximadamente 200 Vickers, con una resistencia a la rotura de 80 Kg/mm2 y un alargamiento del 15%. Cada grano de perlita está formado por láminas o placas alternadas de cementita y ferrita. Esta estructura laminar se observa en la perlita formada por enfriamiento muy lento. Si el enfriamiento es muy brusco, la estructura es más borrosa y se denomina perlita sorbítica. Si la perlita laminar se calienta durante algún tiempo a una temperatura inferior a la crítica (723 ºC), la cementita adopta la forma de glóbulos incrustados en la masa de ferrita, recibiendo entonces la denominación de perlita globular.   

                AUSTENITA             Este es el constituyente más denso de los aceros,y está formado por la solución sólida, por inserción, de carbono en hierro gamma. La proporción de C disuelto varía desde el 0 al 1.76%, correspondiendo este último porcentaje de máxima solubilidad a la temperatura de 1130 ºC.La austenita en los aceros al carbono, es decir, si ningún otro elemento aleado, empieza a formarse a la temperatura de 723ºC. También puede obtenerse una estructura austenítica en los aceros a temperatura ambiente, enfriando muy rápidamente una probeta de acero de alto contenido de C a partir de una

temperatura por encima de la crítica, pero este tipo de austenita no es estable, y con el tiempo se transforma en ferrita y perlita o bien cementita y perlita.             Excepcionalmente, hay algunos aceros al cromo-niquel denominados austeníticos, cuya estructura es austenítica a la temperatura ambiente. La austenita está formada por cristales cúbicos de hierro gamma con los átomos de carbono intercalados en las aristas y en el centro. La austenita tiene una dureza de 305 Vickers, una resistencia de100 Kg/mm2 y un alargamiento de un 30 %. No presenta propiedades magnéticas.                MARTENSITA               Bajo velocidades de enfriamiento bajas o moderadas, los átomos de C pueden difundirse hacía afuera de la estructura austenítica. De este modo, los átomos de Fe se mueven ligeramente para convertir su estructura en una tipo BCC. Esta transformación gamma-alfa tiene lugar mediante un proceso de nucleación y crecimiento dependiente del tiempo (si aumentamos la velocidad de enfriamiento no habrá tiempo suficiente para que el carbono se difunda en la solución y, aunque tiene lugar algún movimiento local de los átomos de Fe, la estructura resultante no podrá llagar a ser BCC, ya que el carbono está “atrapado” en la solución). La estructuraresultante denominada martensita, es una solución sólida sobresaturada de carbono atrapado en una estructura tetragonal centrada en el cuerpo. Esta estructura reticular altamente distorsionada es la principal razón para la alta dureza de la martensita, ya que como los átomos en la martensita están empaquetados con una densidad menor que en la austenita, entonces durante la transformación (que nos lleva a la martensita) ocurre una expansión que produce altosesfuerzos localizados que dan como resultado la deformación plástica de la matriz.             Después de la cementita es el constituyente más duro de los aceros. La martensita se presenta en forma de

agujas y cristaliza en la red tetragonal. La proporción de carbono en la martensita no es constante, sino que varía hasta un máximo de 0.89% aumentando su dureza, resistencia mecánica y fragilidad con el contenido de carbono. Su dureza está en torno a 540 Vickers, y su resistencia mecánica varía de 175 a 250 Kg/mm2 y  su alargamiento es del orden del 2.5 al 0.5%. Además es magnética.                BAINITA                      Se forma la bainita en la transformación isotermade la austenita, en un rango de temperaturas de 250 a 550ºC. El proceso consiste en enfriar rápidamente la austenita hastauna temperatura constante, manteniéndose dicha temperatura hasta la transformación total de la austenita en bainita.             LEDEBURITA             La ledeburita no es un constituyente de los aceros, sino de las fundiciones. Se encuentra en las aleaciones Fe-C cuando el porcentaje de carbono en hierro aleado es superior al 25%, es decir, un contenido total de 1.76% de carbono.             La ledeburita se forma al enfriar una fundición líquida de carbono (de composición alrededor del 4.3% de C) desde 1130ºC, siendo estable hasta 723ºC, decomponiéndose a partir de esta temperatura en ferrita y cementita   DIAGRAMA DE EQUILIBRIO DE LAS ALEACIONES HIERRO-CARBONO.                  La temperatura a que tienen lugar los cambios alotrópicos en el hierro estará influida por los elementos que forman parte de la aleación, de los cuales el más importante es el carbono. La figura que mostramos a continuación muestra la porción de interés del sistema de

aleación Fe-C. Contiene la parte entre Fe puro y un compuestointersticial, llamado carburo de hierro, que contiene un 6.67% de C en peso. Esta porción se llamará diagrama de equilibrio hierro-carburo de hierro.             Antes de estudiar este diagrama es importante notar que no se trata de un verdadero diagrama de equilibrio,pues un verdadero equilibrio implicaría que no hubiera cambiode fase con el tiempo. Sin embargo, es un hecho que el compuesto carburo de hierro se descompondrá de una manera muylenta en hierro y carbono (grafito), lo cual requerirá un período de tiempo muy largo a temperatura ambiente. El carburo de hierro se dice entonces metaestable; por tanto, eldiagrama hierro-carburo de hierro, aunque técnicamente representa condiciones metaestables , puede considerarse comorepresentante de cambios en equilibrio, bajo condiciones de calentamiento y enfriamiento relativamente lentas.             El diagrama muestra tres líneas horizontales que indican reacciones isotérmicas. La solución sólida  se llamaaustenita. La segunda figura muestra ampliada la porción del diagrama de la esquina superior izquierda. Esta se conoce como región delta, debido a la solución sólida . A 2720ºF seencuentra una línea horizontal que nos marca la reacción peritéctica. Dicha reacción responde a la ecuación: 

Líquido+             Austenita         (enfriamiento)

                                                                           (calentamiento) 

La solubilidad máxima del carbono en Fe  (BCC) esde 0.10% (punto M), mientras que en Fe  (FCC) es mucho mayor. La presencia de carbono influye en el cambio alotrópico   . Conforme crece la proporción de C, la temperatura del cambio alotrópico aumenta de 2554 a 2720ºF al 0.10% de C. Considérese el significado de la línea NMPB. Al enfriar, la línea NM,

representa la frontera del cambio de estructura cristalina de Fe  (BCC) a Fe  (FCC) para aleaciones que contienen menos del 0.10% de C. La línea MP representa la frontera del cambio de estructura cristalina por medio de la reacción peritéctica para aleaciones entre 0.10 y 0.18% de C. Para aleaciones que contienen menos del 0.18% de C, al enfriar, el final del cambio de estructura está dado por la línea NP. La línea PB representa el inicio y el fin de la reacción peritéctica para composiciones entre 0.18 y 0.5% de C. En otras palabras, para aleaciones entre 0.18 y 0.50% de C, el cambio alotrópico empieza y termina a temperatura constante. Nótese que cualquier aleación que contenga más de 0.5% de C solidificará enaustenita directamente (a la derecha del punto B).

   

 

                     

    

            En el diagrama de más abajo se muestra la reacción eutéctica. El punto E del diagrama, es el punto eutéctico, de composición 4.3% de C y que ocurre a 2065ºF. Lalínea horizontal CED representa la reacción eutéctica. Cuandouna determinada aleación cruce esta línea, la parte líquida que la compone debe solidificar en la mezcla de las dos fasesque estén en ambos extremos de la línea horizontal: austenitay carburo de hierro (llamada cementita) en este caso. Esta mezcla eutéctica, como ya explicamos, se llama ledeburita, y la ecuación puede escribirse como:  

Líquido             Austenita +Cementita         (enfriamiento)

                                                                                                                                (calentamiento)             La microestructura de esta mezcla eutéctica generalmente no resulta visible debido a que la austenita no es estable a temperatura ambiente y sufre varias reacciones durante el enfriamiento.             Se puede observar que a 1666ºF ocurre un cambio de estructura cristalina de Fe puro  (FCC) a  (BCC). El pequeño área a la izquierda de la línea GH, es una solución sólida de una pequeña cantidad de carbono disuelto en Fe  (BCC), y se llama ferrita. El diagrama muestra una tercera línea horizontal HJK, que representa la reacción eutectoide. El punto eutectoide, J, está situado a 0.80% de Cy a 1333ºF. Cualquier porción de austenita presente se transformará en una fina mezcla eutectoide de ferrita y

cementita, llamada perlita. La ecuación que describe la reacción eutectoide es: 

Líquido             Ferrita +Cementita         (enfriamiento)

                                                         (calentamiento)

  

Por debajo de la línea eutectoide, la aleación consistirá en una mezcla de ferrita y cementita conforme indica el diagrama. Si se toma como base el contenido de carbono, es práctica común dividir el diagrama hierro-carburo en dos partes: aquellas aleaciones que contienen menos del 2% de carbono se conocen como aceros, y aquellas que contienen más del 2% se conocen como hierros fundidos. El intervalo de aceros se subdivide aún más en base al contenido de carbono eutectoide (0.8% de C). Así, los aceros que contienen menos del 0.8% de C se llaman aceros hipoeutectoides, en tanto que los que tienen entre 0.8y 2% de C se llaman hipereutectoides. El intervalo de hierros fundidos también puede subdividirse por el contenido de carbono eutéctico (4.3% de C). De esta forma tenemos que los hierros fundidos con composiciónde C <  4.3%, se conocen como hierros fundidos hipoeutécticos, y de la misma manera por oposición, existen los hipereutécticos.

 

   PROCESO DE ENFRIAMIENTO LENTO DEL ACERO.               Estudiaremos los cambios que se producen en la región de los aceros, cuando sometemos al sistema a procesos de enfriamiento lento desde una estructura austenítica

inicial. A partir de la figura 7.10 tenemos una muestra de  acero hipoeutectoide que contiene 0.2% de C. En el intervalo austenítico, la aleación consiste en una solución sólida intersticial uniforme. Cada grano contiene 0.2% de C disuelto en los espacios de la estructura reticular de hierroFCC. Al enfriarse lentamente no sucede nada destacable hasta que la línea GJ se intercepta en el punto X1. Esta línea se conoce como línea de temperatura crítica superior del lado hipoeutectoide, y se designa como A3. El cambio alotrópico deFe FCC a Fe BCC tiene lugar a 1666ºF para Fe puro y disminuyeen temperatura con el aumento del contenido de carbono, como lo muestra la línea A3; por tanto, en X1, la ferrita debe empezar a formarse en las frontera de grano de la austenita. Como la ferrita puede disolver muy poco carbono, en aquellas áreas que cambien a ferrita, el carbono debe salir de la solución antes de que los átomos se reajusten por sí mismos  a la estructura BCC. El carbono que sale de la solución es disuelto en la austenita restante, así que, conforme el enfriamiento avanza y la cantidad de ferrita aumenta, la austenita restante se hace más rica en carbono. El contenido en carbono se desplaza gradualmente a lo largo de línea A3. Finalmente, la línea HJ se alcanza en el punto X2. Esta línea se conoce como línea de temperatura crítica inferior en el lado hipoeutectoide y se designa como A1. La línea A1 es la de temperatura eutectoide y constituye la mínima temperatura a la que puede existir el hierro FCC bajo condiciones de equilibrio. Precisamente por encima de línea A1, la microestructura consta de aproximadamente 25% de austenita y 75% de ferrita. Toda la austenita presente (que contiene el 0.8% de C) experimenta ahora la reacción eutectoide expuesta  anteriormente. Darse cuenta que la austenita cambia al interceptarse la línea A1 ;por tanto cuando la reacción se ha completado, la microestructura finalmostrará aproximadamente un 25% de perlita y un 75% de ferrita.             Vamos a considerar la reacción eutectoide con másdetalle. La austenita cambia a ferrita y esta es una soluciónsólida intersticial en la que cada grano disuelve 0.8% de C

en Fe FCC; sin embargo la ferrita es Fe BCC y disuelve muy poco carbono, de modo que el cambio de estructura cristalina no puede ocurrir hasta que los átomos de carbono salgan de lasolución. Por tanto, el primer paso es precipitar los átomos de carbono para formar placas de cementita (carburo de hierro). En el área adyacente a la placa de cementita, el hierro se vacía de carbono y los átomos se reagrupan por sí mismos para formar ferrita BCC. A cada lado de la placa de cementita se forman delgadas capas de ferrita. El proceso continua con la formación de capas alternas de cementita y ferrita para la mezcla en forma de huella dactilar conocida como perlita. La reacción generalmente comienza en la frontera de grano de austenita, con la perlita creciendo a lolargo de la frontera y dentro del grano.

            Los cambios descritos serían similares para cualquier acero hipoeutectoide, la única diferencia estaría en la cantidad relativa de ferrita y perlita. De esta forma, cuanto más próximos nos hallemos de la composición eutectoide(0.8% de C), más perlita tendremos en la microestructura. Así, la microestructura de un acero al 0.4% de C lentamente enfriado muestra aproximadamente un 50% de perlita, en tanto que la composición eutectoide (0.8% de C) muestra un 100% de perlita.             Las propiedades mecánicas de una aleación dependen de las características individuales de cada una de

las fases que la componen y de la forma en que estas últimas estén ordenadas para formar la estructura. Sabemos que la ferrita es relativamente suave, con baja resistencia tensil, en tanto que la cementita es dura, con muy baja resistencia tensil. Podremos deducir pues, que la combinación de estas dos fases en la forma eutectoide (perlita), producirá una aleación de resistencia tensil mucho mayor que la de cualquiera de las fases individuales. Como la cantidad de perlita aumenta con un incremento en el contenido de carbono para aceros hipoeutectoides, la resistencia y la dureza Brinell también aumentará hasta la composición eutectoide. Laductilidad, expresada por el porcentaje de elongación y reducción de área, y la resistencia al impacto disminuyen al aumentar el contenido de carbono. 

Aleaciones de acero. Comúnmente conocidos como acerosespeciales, son aceros al carbono, aleados con otros metaleso metaloides, resultantes de la búsqueda del mejoramiento desus características. Los elementos añadidos corrientementeson: el níquel, el cromo, vanadio, molibdeno, magnesio,

silicio, tungsteno, cobalto, aluminio, etc. Aceros al níquel.Son aceros inoxidables y magnéticos. El níquel aumenta lacarga de rotura, el límite de elasticidad, el alargamiento yla resistencia al choque o resiliencia, a la par quedisminuye las dilataciones por efecto del calor. Cuandocontienen del 10 al 15% de níquel se templan aun si se losenfría lentamente.

Aceros al cromo. El cromo comunica dureza y una mayorpenetración del temple, por lo que pueden ser templados alaceite. Los aceros con 1,15 a 1,30% de carbono y con 0,80 a1% de cromo son utilizados para la fabricación de láminasdebido a su gran dureza, y en pequeña escala los que tienen0,3 a 0,4% de carbono y 1% de cromo.

Aceros al cromo-níquel. De uso más corriente que el primero,se usan en la proporción de carbono hasta 0,10%, cromo 0,70%y níquel 3%; o carbono hasta 15%, cromo 1% y níquel 4%, comoaceros de cementación. Los aceros para temple en aceite seemplean con diversas proporciones; uno de uso corriente seríael que tiene carbono 0,30, cromo 0,7% y níquel 3%.

Aceros al cromo-molibdeno. Son aceros más fáciles de trabajarque los otros con las máquinas herramientas. El molibdenocomunica una gran penetración del temple en los aceros; seemplean cada vez más en construcción, tendiendo a lasustitución del acero al níquel. De los tipos más corrientestenemos los de carbono 0,10% , cromo 1% y molibdeno 0,2% y elde carbono 0,3%, cromo 1% y molibdeno 0,2%; entre estos dosejemplos hay muchos otros cuya composición varía según suempleo.

Aceros al cromo-níquel molibdeno. Son aceros de muy buenacaracterística mecánica. Un ejemplo de mucha aplicación es elque tiene carbono 0,15% a 0,2%, cromo 1 a 1,25%, níquel 4% ymolibdeno 0,5%.

Aceros inoxidables. Los aceros inoxidables son losresistentes a la acción de los agentes atmosféricos yquímicos. Los primeros que se fabricaron fueron para lacuchillería, con la proporción de 13 a 14% de cromo. Otrosaceros fueron destinados a la fabricación de aparatos decirugía, con la proporción de 18 a 20% de cromo y 8 a 10% deníquel; son también resistentes a la acción del agua de mar.Un acero de gran resistencia a la oxidación en caliente es elque tiene 20 a 30% de cromo y 5% de aluminio.

Aceros anticorrosivos. Estos son aceros soldados de altaresistencia y bajo tenor de sus componentes de aleación:carbono, silicio, azufre, manganeso, fósforo, níquel ovanadio, cromo y cobre. A la intemperie se cubren de un óxidoque impide la corrosión interior, lo que permite se los puedautilizar sin otra protección. Como resultado de ensayosefectuados por algo más de diez años, se ha establecido quesu resistencia a los agentes atmosféricos es de cuatro a ochoveces mayor que los del acero común al carbono.

Aceros aleados, influencia de los elementos de aleación

Se da el nombre de aceros aleados a los aceros que además delos cinco elementos: carbono, silicio, manganeso, fósforo yazufre, también contienen cantidades relativamenteimportantes de otros elementos como molibdeno, cromo, níquel,etc., que sirven para mejorar algunas de sus característicasfundamentales. También pueden considerarse aceros aleados, alos aceros con mayor proporción que los porcentajes normalesde los aceros al carbono de los cuatro elementos diferentedel carbono que antes hemos citado y cuyos limites superioressuelen ser los siguientes: Si = 0,50%, Mn = 0,90%, P = 0,10%,S = 0,10%

Los elementos de aleación más frecuentes que se utilizan parala fabricación de aceros aleados son: níquel, manganeso,cromo, vanadio, wolframio, molibdeno, cobalto, silicio,cobre, titanio, zirconio, plomo, selenio, niobio, aluminio yboro.

Clasificación de los aceros aleados de acuerdo con suutilización:

A continuación se señalan los grupos clásicos

Aceros aleados y elementos de aleación

Utilizando aceros aleados se puede lograr:

Piezas de gran espesor con elevadas resistencias en suinterior

Grandes durezas con tenacidad

Mantener una resistencia elevada a grandes temperaturas

Aceros inoxidables

Aceros resistente a la acción de agentes corrosivos

Herramientas que realicen trabajos muy forzados y que nopierdan dureza al calentarse

Esto nos muestra que la influencia que ejercen los elementosde aleación en los aceros es muy variada, lo cual nos permiteobtener ciertas características que no se pueden obtener conlos aceros ordinarios al carbono

Las influencias directas de los diversos elementos dealeación antes mencionados en ciertas características de losaceros podrían señalarse en forma general como:

La tendencia que tienen ciertos elementos a disolver ferritao formar soluciones sólidas con el hierro alfa, y latendencia que en cambio tiene otros a formar carburos

La influencia de los elementos de aleación en los diagramasde equilibrio de los aceros

La influencia de los elementos aleados sobre la templabilidad

La influencia que tienen en retardar el ablandamiento que seproduce en el revenido

Mejoras en la resistencia a la corrosión, resistencia alcalor, resistencia a la abrasión, etc.

Influencia que ejercen en las características y propiedadesde los aceros los elementos de aleación

Níquel:

Desde que se empezó a usar el níquel en los aceros, se vioque este elemento mejora las propiedades de los aceros. Elempleo de aceros con níquel es sobre todo interesante para laconstrucción de piezas de maquinas y motores de alta calidad.Una de las ventajas más importantes que reporta el empleo delníquel, es evitar el crecimiento del grano en tratamientostérmicos, lo que sirve para conseguir siempre con ellos grantenacidad. Los aceros al níquel sometidos a temperaturasdemasiado elevadas, quedan después del temple y revenido conmuy buena tenacidad. El níquel, hace descender los puntoscríticos y por ello los tratamientos térmicos pueden hacersea temperaturas ligeramente mas bajas que las correspondientesa los aceros ordinarios. Experimentalmente se observa que conlos aceros aleados con níquel se obtiene para una mismadureza, un límite de elasticidad ligeramente mas elevado ymayores alargamientos y resistencias que con aceros alcarbono. También es muy interesante señalar que para la misma

dureza su resistencia a la fatiga es un 30% superior a la delos aceros de baja aleación.

Entre todos los elementos aleados, el níquel, que cristalizacomo austenita en cubos de caras centradas, es el único queforma con el hierro una serie continua de soluciones sólidas.El níquel hace descender la temperatura de transformacióngamma-alfa y, por lo tanto, tiende a estabilizar a bajastemperaturas la fase austenítica de caras centradas.Lasaleaciones con mas de 30% de niquel son austeníticas a latemperatura ambiente, y poseen ciertas propiedadesmagnéticas.

El níquel es un elemento de extraordinaria importancia en lafabricación de aceros inoxidables y resistentes a altastemperaturas. La aleación hierro-níquel con menos de 0,10% decarbono y 36% de níquel tiene una dilatación muy baja, casinula, entre 0°C y 100°C y recibe el nombre de invar..

Los aceros al níquel más utilizados son los siguientes:

- Aceros al de níquel: 2,3% - 5% de Ni, 0,1-0,25% de C (paracementación) y con 0,25-0,4% de C (para piezas de granresistencia)

- Aceros cromo-níquel y aceros cromo níquel molibdeno: conporcentajes variables de C (0,1-0,22%) se emplean paracementación y con 0,25-0,4% de C se emplean para piezas degran resistencia. En estos aceros los porcentajes de cromo-níquel suelen tener una relación aproximada de 1% Cr y 3% Ni.

- Aceros de media aleación níquel-molibdeno y níquelmanganeso: 0,25- 0,4% de C para piezas de gran resistencia ycon 0,1-0,25% para piezas cementadas, Ni de 1-2%, Mn 1-1,5%,Molibdeno 0,15-0,4%.

- Aceros inoxidables y resistentes al calor cromo-níquel: con8-25% de Ni

- Otros aceros de menor importancia son los aceros cromo-níquel para estampación en caliente, algunos de los aceros alníquel para herramientas, y otros de uso poco frecuente

Cromo:

Es uno de los elementos especiales más empleados para lafabricación de aceros aleados, usándose indistintamente enlos aceros de construcción , en los de herramientas, en losinoxidables y en los de resistencia en caliente. Se emplea encantidades diversas desde 0,3 a 30% de Cr según los casos, ysirve para aumentar la dureza y la resistencia a la tracciónde los aceros, mejora la templabilidad, impide lasdeformaciones en el temple, aumenta la resistencia aldesgaste, la inoxibilidad,etc.

Molibdeno:

Este elemento mejora la resistencia a la tracción, latemplabilidad, la resistencia al <<creep>> de los aceros.Añadiendo pequeñas cantidades a los aceros cromo-níquel , sedisminuye o elimina la fragilidad Krupp que se presentacuando estos aceros son revenidos en la zona de los 450°C a550°C.

También aumenta la resistencia de los aceros en caliente yreemplaza al wolframio en la fabricación de aceros rápidos,pudiendo emplear para las mismas aplicaciones aproximadamenteuna parte de molibdeno por cada dos de wolframio.

Wolframio:

el wolframio es un elemento muy utilizado para la fabricaciónde aceros para herramientas, empleándose en especial en losaceros rápidos, aceros para herramientas de corte, y acerospara trabajos en calientes. Sirve para aumentar la dureza aelevadas temperaturas y evitan que se desafilen o ablandenlas herramientas, aunque lleguen a calentarse a 500° ó 600°C.También se usa para la fabricación de aceros para imanes.

Vanadio:

Se emplea principalmente para la fabricación de aceros deherramientas, tiende a afinar el grano y disminuir latemplabilidad. Es un elemento desoxidante muy fuerte.

Manganeso:

El manganeso aparece prácticamente en todos los aceros,debido, principalmente, a que se añade como elemento deadición para neutralizar la perniciosa influencia del azufrey del oxigeno, que siempre suelen contener los aceros cuandose encuentran en estado líquido en los hornos durante elproceso de fabricación. El manganeso actúa también comodesoxidante y evita, en parte, que en la solidificación delacero se desprendan gases que den lugar a la formación deporosidades perjudiciales en el material.

Este se suele usar también como elemento de aleación. Alaumentar de 0,6 a 1,6% aproximadamente el porcentaje demanganeso en los aceros, se aumenta ligeramente suresistencia, se mejora su templabilidad, siendo interesantedestacar que el manganeso es un elemento de aleaciónrelativamente barato.

Silicio:

Este elemento aparece en todos los aceros, al igual que elmanganeso, se añade intencionalmente durante el proceso de

fabricación. Es un desoxidante más enérgico que el manganesoy se emplea como elemento desoxidante complementario delmanganeso con objeto de evitar que aparezcan en el aceroporos y defectos internos. Las adicione de silicio se hacendurante la fabricación, suelen ser relativamente pequeñas yvariables ( 0,2- 0,35% de Si).

Una clase de acero para muelles muy empleadas contienecantidades de silicio de 1,5 a 2,25% de Si. En los aceros, elsilicio sirve para aumentar ligeramente la templabilidad yelevar sensiblemente el límite elástico y la resistencia a lafatiga de los aceros sin reducir su tenacidad.

Se emplean aceros de 1 a 4,5% de Si para la fabricación dechapa magnética.

Cobalto:

El cobalto se emplea casi exclusivamente en los acerosrápidos de más alta calidad. Este elemento, al serincorporado a los aceros, se combina con la ferrita,aumentando su dureza y resistencia. En los aceros de altoporcentaje de carbono reduce la templabilidad. En los acerosal wolframio endurece la ferrita con lo que facilita elmantenimiento de la dureza y de la aptitud de corte de lasherramientas a elevada temperatura.

El cobalto se suele emplear en los aceros rápidos alwolframio de máxima calidad en porcentaje variable de 3 a 10%

Los aceros para imanes con cobalto, contienen además cromo ywolframio

Aluminio:

El aluminio se emplea como elemento de aleación en los acerosde nitruración, que suelen contener 1% aproximadamente dealuminio. También se usa en algunos aceros resistentes al

calor. El aluminio es un elemento desoxidante muy enérgico yes frecuente añadir 300gr por tonelada de acero paradesoxidarlo y afinar el grano.

En general los acero aleados de calidad contienen aluminio enporcentajes pequeñísimos de 0,001 a 0,008% de Al.

Titanio:

Se suelen añadir pequeñas cantidades de titanio a algunosaceros muy especiales para desoxidar y afinar el grano. Eltitanio tiene gran tendencia a formar carburos y a combinarsecon el nitrógeno. En los aceros inoxidables cromo-níquel,actúa como estabilizador de los carburos y evita la corrosiónínter cristalina.

Cobre:

EL cobre se suele emplear para mejorar la resistencia a lacorrosión de ciertos aceros de 0,15 a 0,30% de carbono, quese usan para grandes construcciones metálicas. Se suelenemplear contenidos de cobre variables de 0,4 a 0,5 %.

Boro:

El boro es un elemento de aleación que a comenzado a serempleado recientemente. Experimentalmente se ha visto quecantidades pequeñísimas de boro del orden 0,001 a 0,006%,mejoran notablemente la templabilidad, siendo en este aspectoel mas efectivo de los elementos aleados y el de mayor podertemplante de todos. Su eficacia para mejorar la templabilidades extraordinaria, y para 0,40% de carbono puede decirse quesu efecto es, aproximadamente, unas 50 veces mayor que el delmolibdeno, unas 75 veces mayor que el cromo, unas 150 vecesmayor que el manganeso y unas 400 veces mayor que el níquel

Composición base

Cantidad de elemento a añadir a la composición base para quehaga el mismo efecto que la adición de 0,004% de Boro

C % Mn % Mn % Ni % Cr % Mo %

0,20 0,75 0,85 2,40 0,45 0,35

0,30 0,75 0,65 1,90 0,35 0,25

0,60 0,75 0,45 1,20 0,20 0,15

0,80 0,75 0,25 0,40 0,07 0,05

La utilización de este elemento se comprende que es de uninterés extraordinario, pero su empleo, que tiene sobre todoeficacia en los aceros de0,30 a 0,50% de carbono, presentabastantes dificultades.

La solubilidad del boro en el hierro es de 0,15% a 1174° y de0,06% a la temperatura ambiente. Durante los procesos defabricación su incorporación al baño metálico es difícil, yaque por ser un desoxidante enérgico es un elemento que seoxida fácilmente y tiene también gran avidez con el nitrógenoque contiene el acero.