Efecto de los elementos de aleación en acero

Efecto de varios elementos de aleación en acero / hierro y acero inoxidable

El acero es principalmente una aleación de hierro y carbono y ciertos elementos adicionales como el manganeso y el silicio. Aleación aquí se refiere a la adición de otros elementos para lograr las propiedades mecánicas (mayor resistencia a la tracción, rendimiento, tenacidad, etc.), físicas (dureza, color, etc.) y químicas deseadas (por ejemplo, resistencia a la corrosión).
Los diferentes elementos de aleación tienen su propio efecto sobre las propiedades del acero. En este post conocerás al máximo los elementos de aleación, su efecto sobre las propiedades del acero con su incorporación así como su importancia para un Soldador, Ingenieros de materiales, metalúrgicos y QA-QC.

La siguiente tabla resume los efectos de los elementos de aleación en acero. Para obtener una explicación detallada, continúe con la publicación.

efectos de los elementos de aleación en el acero

Efecto del carbono (C) sobre el acero

El carbono es un estabilizador austenítico fuerte, aumenta la resistencia a la tracción de los aceros al aumentar la cantidad de carburo presente. El carbono aumenta la capacidad de endurecimiento del acero para que pueda templarse y revenido eficazmente. El carbono con sus efectos únicos sobre el acero proporciona una transformación alotrópica al acero. 
El carbono reduce considerablemente la tenacidad y la resistencia a la corrosión de los aceros ferríticos. El carbono de grado martensítico aumenta la dureza y la resistencia, pero disminuye la tenacidad. Este efecto es mayor cuando está presente como cementita laminar (en capas) en perlita en lugar de partículas redondas (globulares / esferoidales).

Efecto del carbono (C) sobre el acero

Efecto del silicio (Si) sobre el acero

El silicio aumenta la resistencia a la oxidación, tanto a alta temperatura como en soluciones fuertemente oxidantes a temperaturas más bajas. El silicio es un estabilizador de ferrita que promueve las microestructuras ferríticas. El silicio aumenta la resistencia en el acero junto con la función principal como desoxidante. Incremento moderado de la capacidad de endurecimiento.

Efecto del silicio (Si) sobre el acero

Efecto del manganeso (Mn) sobre el acero

Se añade manganeso hasta un 1,8% en peso. Se combina con azufre para formar inclusiones de sulfuro de manganeso menos dañinas en aceros con alto contenido de azufre, por lo que evita problemas de agrietamiento en caliente durante la soldadura. Aumenta la resistencia del acero pero menos que el silicio. Ayuda a aumentar la tenacidad del acero a temperatura ambiente. El manganeso aumenta considerablemente la capacidad de endurecimiento del acero.

El manganeso se usa generalmente para mejorar la ductilidad en caliente. Su efecto sobre el equilibrio ferrita / austenita varía con la temperatura: a baja temperatura, el manganeso es un estabilizador de austenita, pero a altas temperaturas estabiliza la ferrita. El manganeso aumenta la solubilidad del nitrógeno y se utiliza para obtener altos contenidos de nitrógeno en aceros inoxidables dúplex y austeníticos. El manganeso, como formador de austenita, también puede reemplazar parte del níquel en el acero inoxidable.

Efecto del níquel (Ni) sobre el acero

La principal razón para agregar níquel es promover una microestructura austenítica. El níquel generalmente aumenta la ductilidad y la tenacidad. También reduce la velocidad de corrosión en estado activo y, por lo tanto, es ventajoso en entornos ácidos. En los aceros de endurecimiento por precipitación, el níquel también se usa para formar los compuestos intermetálicos que se usan para aumentar la resistencia. En los grados martensíticos, la adición de níquel, combinada con la reducción del contenido de carbono, mejora la soldabilidad.

El níquel tiene poco efecto sobre la resistencia y la capacidad de endurecimiento del acero, pero mejora considerablemente su tenacidad a baja temperatura al promover una austenítica estable incluso a temperatura ambiente. El níquel también aumenta la resistencia a la corrosión atmosférica del acero.

Efecto del cromo (Cr) sobre el acero

Este es el elemento de aleación más importante y confiere a los aceros inoxidables su resistencia básica a la corrosión. Todos los aceros inoxidables tienen un contenido de Cr de al menos el 10,5% y la resistencia a la corrosión aumenta el contenido de cromo más alto. El cromo promueve una microestructura ferrítica.

El cromo tiene poco efecto sobre la resistencia del acero, pero aumenta la capacidad de endurecimiento del acero. Aumenta la resistencia del acero a la formación de incrustaciones / óxido cuando se calienta a temperaturas elevadas, por lo que es un elemento de aleación principal para materiales de alta temperatura como los aceros Cr-Mo. Además, se combina con el carbono para formar carburos de cromo que son más estables que la cementita, es decir, no se descomponen con el tiempo en aplicaciones de temperatura elevada. El cromo ayuda a mantener la resistencia del acero y reduce su flujo (fluencia) a temperaturas más altas y durante períodos de tiempo más prolongados.

Efecto del molibdeno (Mo) sobre el acero

El molibdeno aumenta significativamente la resistencia a la corrosión tanto uniforme como localizada. Aumenta ligeramente la resistencia mecánica y promueve fuertemente una microestructura ferrítica. Sin embargo, el molibdeno también aumenta el riesgo de formación de fases secundarias en aceros ferríticos, dúplex y austeníticos. En aceros martensíticos aumenta la dureza a mayores temperaturas de revenido debido a su efecto sobre la precipitación de carburos.

Molibdeno Aumenta la capacidad de endurecimiento, algo más que el cromo. Forma un carburo más estable que la cementita y aumenta la resistencia del acero a la deformación (fluencia), por lo que también es un elemento de aleación importante para aceros de aplicación a alta temperatura, como los aceros al Cr-Mo.

Efecto del vanadio (V) sobre el acero

El vanadio forma carburos y nitruros y promueve la ferrita en la microestructura. El vanadio se agrega para aumentar la resistencia y la tenacidad mediante el refinamiento del grano en los aceros laminados (control) y normalizados. Ayuda a retener una mayor dureza y resistencia después del revenido en aceros templados y revenido. También se agrega en algunos aceros destinados a aplicaciones de temperatura elevada, como los aceros Cr-Mo-V para reactores. Aumenta la dureza de los aceros martensíticos por su efecto sobre el tipo de carburo presente. También aumenta la resistencia al revenido. Solo se utiliza en aceros inoxidables endurecibles.

Efecto del niobio (Nb) sobre el acero

El niobio, también conocido como colombio en EE. UU., Es un fuerte formador de ferrita y carburo. Como el titanio, promueve una estructura ferrítica. En aceros austeníticos se añade para mejorar la resistencia a la corrosión intergranular (grados estabilizados), pero también potencia las propiedades mecánicas a altas temperaturas. En los grados ferríticos, a veces se agrega niobio y / o titanio para mejorar la tenacidad y minimizar el riesgo de corrosión intergranular. En aceros martensíticos, el niobio reduce la dureza y aumenta la resistencia al revenido. 

Se agrega para brindar resistencia y dureza, ya que una fina dispersión de carburos de niobio promueve el refinamiento del grano. También ayuda a retener el tamaño de grano fino en las zonas de las soldaduras afectadas por el calor. El niobio se agrega al acero inoxidable como elemento estabilizador (otro elemento estabilizador es el titanio) ya que se combina fácilmente con el carbono y evita la formación de carburo de cromo en el acero inoxidable.

Efecto del cobre (Cu) sobre el acero

Se agrega cobre para aumentar la resistencia a la corrosión y la resistencia del acero. El cobre promueve una microestructura austenítica. Los efectos del cobre sobre la tenacidad y la capacidad de endurecimiento son pequeños. Aumenta la resistencia a la corrosión atmosférica del acero. Las cantidades totales de cobre agregadas son pequeñas para evitar el calor corto en el acero.

Efecto del boro (B) sobre el acero

El boro se agrega a los aceros relativamente bajos en carbono en cantidades muy pequeñas para aumentar la capacidad de endurecimiento de los aceros destinados a ser templados y revenido. El boro es un agente reforzante muy fuerte cuando se usa en combinación con molibdeno, titanio o vanadio.

Efecto del nitrógeno (N) sobre el acero

El nitrógeno es un formador de austenita muy fuerte que también aumenta significativamente la resistencia mecánica. También aumenta la resistencia a la corrosión localizada, especialmente en combinación con molibdeno. En los aceros inoxidables ferríticos, el nitrógeno reduce considerablemente la tenacidad y la resistencia a la corrosión. En los grados martensíticos, el nitrógeno aumenta tanto la dureza como la resistencia, pero reduce la tenacidad.

El nitrógeno se agrega intencionalmente solo cuando otros elementos como el vanadio están presentes para que los nitruros de vanadio puedan mejorar la resistencia y ayudar a refinar el tamaño de grano. El nitrógeno, que es un fuerte estabilizador austenítico, se agrega al acero inoxidable austenítico y al acero inoxidable dúplex. 

Efecto aluminio (Al) sobre acero

Se añade aluminio en cantidades sustanciales. El aluminio mejora la resistencia a la oxidación y se usa en ciertos grados resistentes al calor para este propósito. En los aceros endurecidos por precipitación, el aluminio se utiliza para formar los compuestos intermetálicos que aumentan la resistencia en el estado envejecido.

Efecto titanio (Ti) sobre acero

El titanio es un fuerte formador de ferrita y carburo, que reduce el contenido de carbono efectivo y promueve una estructura ferrítica de dos maneras. En aceros austeníticos con mayor contenido de carbono se agrega para aumentar la resistencia a la corrosión intergranular (grados estabilizados), pero también aumenta las propiedades mecánicas a altas temperaturas. En los grados ferríticos, se agrega titanio para mejorar la tenacidad, la conformabilidad y la resistencia a la corrosión. En los aceros martensíticos, el titanio reduce la dureza de la martensita al combinarse con el carbono y aumenta la resistencia al revenido. En los aceros endurecidos por precipitación, el titanio se utiliza para formar los compuestos intermetálicos que se utilizan para aumentar la resistencia.

El titanio es un elemento que se agrega principalmente para inmovilizar el carbono, también conocido como estabilización de carburo. Esto mejora la soldabilidad porque la combinación de carbono y titanio (carburos de titanio) es estable y difícil de disolver en acero. Esto minimiza la aparición de corrosión intergranular.

Efecto del cobalto (Co) sobre el acero

El cobalto se utiliza en aceros martensíticos, donde aumenta la dureza y la resistencia al revenido, especialmente a temperaturas más altas. El cobalto también se utiliza en materiales de revestimiento duro debido a su alta dureza. Sin embargo, con las aplicaciones nucleares, las restricciones de cobalto son necesarias, ya que el elemento puede volverse altamente radiactivo cuando se expone a la radiación.

Efecto del azufre (S) sobre el acero

Se agrega azufre a ciertos aceros inoxidables para aumentar su maquinabilidad. A los niveles presentes en estos grados, el azufre reduce ligeramente la resistencia a la corrosión, la ductilidad, la soldabilidad y la conformabilidad. Se pueden agregar niveles más bajos de azufre para disminuir el endurecimiento por trabajo y mejorar la conformabilidad. El contenido de azufre ligeramente aumentado también mejora la soldabilidad del acero.

Efecto de tungsteno (W) sobre acero

El tungsteno aumenta la dureza particularmente a temperaturas elevadas debido a los carburos estables, refina el tamaño de grano. El tungsteno se agrega a grados especiales como Alloy 686, Super Duplex grado 4501, que es un material de alta resistencia a la corrosión.