Si el contenido de carbono en el hierro excede el límite superior especificado, entonces el material pierde sus propiedades maleables, y es posible trabajar con él solo por fundición.
Propiedades generales
El acero no debe confundirse con el hierro, que es un metal sólido y relativamente dúctil, tiene un diámetro atómico de 2.48 angstrom, un punto de fusión de 1535 ° C y un punto de ebullición de 2740 ° C. A su vez, el carbono es un no metal con un diámetro atómico de 1.54 angstrom, suave y quebradizo en la mayoría de sus modificaciones alotrópicas (con la excepción del diamante). La difusión de este elemento en la estructura cristalina del hierro es posible debido a la diferencia en sus diámetros atómicos. Como resultado de esta difusión se forma este material.
La principal diferencia entre el hierro y el acero es el porcentaje de carbono que se indicó anteriormente. El material puede tener una microestructura diferente dependiendo de una temperatura particular. Puede estar en las siguientes estructuras (para obtener más información, consulte el diagrama de fase de hierro-carbono):
- perlita
- cementita
- ferrita
- austenita
El material conserva las propiedades del hierro en su estado puro, pero la adición de carbono y otros elementos, tanto metales como no metales, mejora sus propiedades físico-químicas.
Hay muchos tipos de acero dependiendo de los elementos que se le agreguen. Un grupo de aceros al carbono está formado por materiales en los que el carbono es el único aditivo. Otros materiales especiales obtienen sus nombres debido a sus funciones y propiedades básicas, que están determinadas por su estructura y elementos adicionales agregados, por ejemplo, silicio, cemento, acero inoxidable, aleaciones estructurales, etc.
Como regla general, todos los materiales con aditivos se combinan bajo un nombre: aceros especiales, que difieren de los aceros al carbono ordinarios, y estos últimos sirven como material de base para la fabricación de materiales especiales. Dicha diversidad de material según sus características y propiedades llevó al hecho de que el acero comenzó a llamarse "una aleación de hierro y otra sustancia que aumenta su dureza".
Componentes de metal
Los dos componentes principales del acero se encuentran en abundancia en la naturaleza, lo que favorece su producción a gran escala. La variedad de propiedades y la disponibilidad de este material lo hacen adecuado para industrias tales como la ingeniería, la fabricación de herramientas, la construcción de edificios y la contribución a la industrialización de la sociedad.
A pesar de su densidad (la gravedad específica del acero kg m3 es 7850, es decir, la masa de acero con un volumen de 1 m³ es igual a 7850 kilogramos, para la comparación, la densidad del aluminio es de 2700 kg / m3) se usa en todos los sectores de la industria, incluida la aeronáutica. Las razones de su uso variado son la ductilidad y, al mismo tiempo, la dureza y su costo relativamente bajo.
Aditivos y sus características.
Una clasificación especial de los aceros determina la presencia de un elemento específico en su composición y su porcentaje en peso. Se agregan elementos a la aleación para otorgarle a este último propiedades específicas, por ejemplo, para aumentar su resistencia mecánica, dureza, resistencia al desgaste, capacidad de fusión, y otros. La siguiente es una lista de los suplementos y efectos más comunes que causan.
- Aluminio : se agrega en concentraciones cercanas al 1% para aumentar la dureza de la aleación, y en concentraciones inferiores al 0, 008% como antioxidante para materiales resistentes al calor.
- Boro : a bajas concentraciones (0, 001-0, 006%) aumenta la capacidad de endurecimiento del material, sin reducir su capacidad de mecanizado. Utilizado en materiales de baja calidad, por ejemplo, en la fabricación de arados, alambres, asegurando su dureza y ductilidad. También se utiliza como trampas de nitrógeno en la estructura cristalina del hierro.
- Cobalto Reduce la capacidad de endurecimiento y endurece el material y aumenta su dureza a altas temperaturas. También aumenta las propiedades magnéticas. Utilizado en materiales resistentes al calor.
- Cromo : debido a la formación de carburos, el acero otorga resistencia y resistencia a altas temperaturas, aumenta la resistencia a la corrosión, aumenta la profundidad de formación de carburos y nitruros durante el procesamiento termoquímico, se utiliza como un revestimiento inoxidable sólido para ejes, pistones, etc.
- El molibdeno aumenta la dureza y la resistencia a la corrosión de los materiales austeníticos.
- Se añade nitrógeno para facilitar la formación de austenita.
- El níquel hace que la austenita sea estable a temperatura ambiente, lo que aumenta la dureza del material. Utilizado en aleaciones resistentes al calor.
- El plomo forma pequeñas formaciones globulares que aumentan la capacidad de mecanizar acero. Este elemento proporciona lubricación del material en un porcentaje de 0.15% a 0.30%.
- El silicio aumenta la capacidad de endurecimiento y la resistencia a la oxidación del material.
- El titanio estabiliza la aleación a altas temperaturas y aumenta su resistencia a la oxidación.
- El tungsteno se forma junto con carburos estables y muy duros, que se mantienen estables a altas temperaturas, 14-18% de este elemento le permite crear acero para cortar, que se puede utilizar a una tasa tres veces más que el acero al carbono común.
- El vanadio aumenta la resistencia a la oxidación del material y forma carburos complejos con hierro, lo que aumenta la resistencia a la fatiga.
- El niobio imparte dureza, ductilidad y ductilidad a la aleación. Utilizado en materiales estructurales y automatización.
Impurezas en la aleación.
Las impurezas se llaman elementos que son indeseables en la composición del acero. Están contenidos en el propio material y caen en él como resultado de la fundición, ya que están contenidos en el combustible combustible y en los minerales. Es necesario reducir su contenido, ya que deterioran las propiedades de la aleación. En el caso de que su eliminación de la composición del material sea imposible o costosa, intente reducir su porcentaje al mínimo.
Azufre: su contenido está limitado a 0.04%. El elemento forma sulfuros junto con el hierro, que, a su vez, junto con la austenita, forman un eutéctico con un bajo punto de fusión. Los sulfuros se liberan en los límites de grano. El contenido de azufre limita considerablemente la posibilidad de tratamiento térmico y mecánico de materiales a temperaturas medias y altas, ya que conduce a la destrucción del material a lo largo de los límites de grano.
Los aditivos de manganeso le permiten controlar el contenido de azufre en los materiales. El manganeso está más estrechamente relacionado con el azufre que el hierro, por lo tanto, en lugar del sulfuro de hierro, se forma sulfuro de manganeso, que tiene un alto punto de fusión y buenas propiedades plásticas. La concentración de manganeso debe ser cinco veces mayor que la concentración de azufre para garantizar un efecto positivo. El manganeso también aumenta la capacidad de mecanizado de los aceros.
Fósforo: el límite máximo de su contenido en la aleación es de 0.04%. El fósforo es dañino porque se disuelve en ferrita, lo que reduce su plasticidad. El fosfuro de hierro, junto con la austenita y la cementita, forma un eutéctico quebradizo con un punto de fusión relativamente bajo. La liberación de fosfuro de hierro en los límites de grano hace que el material sea quebradizo.
Características mecánicas y tecnológicas del acero.
Es muy difícil determinar las propiedades físicas y mecánicas específicas del acero, ya que el número de sus tipos es diverso debido a la composición y el tratamiento térmico diferentes, que le permiten crear materiales con una amplia variedad de características químicas y mecánicas. Esta diversidad llevó al hecho de que la producción de estos materiales y su procesamiento comenzaron a asignarse a una rama separada de la metalurgia, la metalurgia ferrosa, que difiere de la metalurgia no ferrosa. Sin embargo, se pueden dar propiedades comunes para el acero, se presentan en la lista a continuación.
- El peso volumétrico del acero, es decir, una masa de 1 m³, es de 7850 kg. La densidad del acero g cm3 es así de 7.85.
- Dependiendo de la temperatura, el material se puede doblar, estirar y fundir.
- El punto de fusión depende del tipo de aleación y del porcentaje de aditivos. Así, el hierro puro se funde a una temperatura de 1510 ° C; a su vez, el acero tiene un punto de fusión de 1375 ° C, que aumenta a medida que aumenta el porcentaje de carbono y otros elementos (excepto los eutécticos que se funden a temperaturas más bajas). El acero rápido se funde a 1650 ° C.
- Se hierve el material a una temperatura de 3000 ° C.
- Es un material resistente a la deformación, cuya dureza aumenta con la adición de otros elementos.
- Tiene una ductilidad relativa (al usarla, puede obtener hilos delgados mediante trefilado), así como también plasticidad (puede obtener láminas metálicas planas con un grosor de 0, 12-0, 50 mm - estaño, que generalmente se cubre con estaño para evitar la oxidación).
- Antes de utilizar calor, la aleación es mecanizada.
- Algunos compuestos tienen memoria de forma y se deforman en una cantidad mayor que el punto de rendimiento.
- La dureza del acero varía entre la dureza del hierro y la dureza de las estructuras que se obtienen mediante procesos térmicos y químicos. Entre ellos, el más conocido es el enfriamiento, aplicado a materiales con alto contenido de carbono. La alta dureza de la superficie del acero permite su uso como herramienta de corte. Para obtener esta característica, que se mantiene a altas temperaturas, se agrega cromo, tungsteno, molibdeno y vanadio al acero. Mida la dureza del metal en Brinell, Vickers y Rockwell.
- Tiene buenas propiedades de fundición.
- La capacidad de corrosión es uno de los principales inconvenientes del acero, ya que el hierro oxidado aumenta en volumen y conduce a la aparición de grietas en la superficie, lo que, a su vez, acelera aún más el proceso de destrucción. Tradicionalmente, el metal ha sido protegido contra la corrosión por varios tratamientos superficiales. Además, algunos compuestos se han vuelto resistentes a la oxidación, por ejemplo, materiales inoxidables.
- Tiene una alta conductividad eléctrica, que no varía mucho dependiendo de la composición de la aleación. En líneas eléctricas aéreas, los conductores de aluminio son los más utilizados, que están cubiertos con una cubierta de acero. Este último proporciona la resistencia mecánica necesaria a los cables y también contribuye a su producción más barata.
- Se utiliza para la producción de imanes permanentes artificiales, ya que el acero magnetizado no pierde su capacidad magnética a una cierta temperatura. La estructura de la ferrita de acero tiene propiedades magnéticas, mientras que la estructura de austenita no es magnética. Los imanes en base al acero para estabilizar la estructura de la ferrita contienen, como regla general, aproximadamente el 10% de níquel y cromo.
- Con el aumento de la temperatura, un producto hecho de este material aumenta su longitud. Por lo tanto, si en una estructura particular hay grados de libertad, entonces la expansión térmica no es un problema, pero si tales grados de libertad no existen, entonces la expansión del acero dará lugar a tensiones adicionales que deben tenerse en cuenta. El coeficiente de expansión térmica del acero es cercano al del concreto. Este hecho permite utilizarlos juntos en construcciones de varios tipos, este material se denomina concreto reforzado.
- Es un material incombustible, pero sus propiedades mecánicas fundamentales se deterioran rápidamente cuando se exponen a llamas abiertas.