Acero: definición, clasificación, composición química y aplicación

2024 Autor: Angel Austin | [email protected]. Última modificación: 2023-12-17 05:23

Cuántas veces escuchamos la palabra "acero". Y lo pronuncian no solo los profesionales en el campo de la producción metalúrgica, sino también la gente del pueblo. Ninguna estructura sólida está completa sin acero. De hecho, cuando hablamos de algo metálico, nos referimos a un producto fabricado en acero. Descubramos en qué consiste y cómo se clasifica.

Definición

El acero es quizás la aleación más popular, que se basa en hierro y carbono. Además, la participación de estos últimos oscila entre el 0,1 y el 2,14 %, mientras que los primeros no pueden ser inferiores al 45 %. La facilidad de producción y la disponibilidad de materias primas son de importancia decisiva en la distribución de este metal a todos los ámbitos de la actividad humana.

Las principales características del material varían en función de su composición química. La definición de acero como una aleación que consta de dos componentes, hierro y carbono, no puede considerarse completa. Puede incluir, por ejemplo, cromo para resistencia al calor y níquel para resistencia a la corrosión.

Componentes necesariosLos materiales proporcionan beneficios adicionales. Entonces, el hierro hace que la aleación sea maleable y fácilmente deformable bajo ciertas condiciones, y el carbono hace que la resistencia y la dureza sean simultáneas con la fragilidad. Es por eso que su participación es tan pequeña en la masa total de acero. La determinación del método de producción de la aleación condujo al contenido de manganeso en una cantidad del 1% y silicio: 0,4%. Hay una serie de impurezas que aparecen durante la fusión del metal y de las que tratan de deshacerse. Junto con el fósforo y el azufre, el oxígeno y el nitrógeno también degradan las propiedades del material, haciéndolo menos duradero y cambiando la ductilidad.

Clasificación

La definición de acero como un metal con un determinado conjunto de características, por supuesto, está fuera de toda duda. Sin embargo, es precisamente su composición la que permite clasificar el material en varias direcciones. Así, por ejemplo, los metales se distinguen por las siguientes características:

sobre productos químicos;
estructural;
por calidad;
según lo previsto;
según el grado de desoxidación;
por dureza;
sobre la soldabilidad del acero.

La definición del acero, el marcado y todas sus características se describirán a continuación.

Marcado

Desafortunadamente, no existe una designación global de acero, lo que complica enormemente el comercio entre países. En Rusia, se define un sistema alfanumérico. Las letras indican el nombre de los elementos y el método de desoxidación, y los números indican su número.

Composición química

Hay dos manerasDivisión del acero por composición química. La definición dada por los libros de texto modernos permite distinguir entre el carbono y el material aleado.

El primer atributo define al acero como bajo, medio y alto en carbono, y el segundo, como de baja, media y alta aleación. Se denomina metal con bajo contenido de carbono que, según GOST 3080-2005, puede incluir, además del hierro, los siguientes componentes:

Carbono - hasta 0,2%. Promueve el fortalecimiento térmico, por lo que la resistencia a la tracción y la dureza se duplican.
El manganeso en una cantidad de hasta el 0,8 % entra activamente en un enlace químico con el oxígeno y evita la formación de óxido de hierro. El metal es más capaz de soportar cargas dinámicas y es más susceptible al endurecimiento térmico.
Silicio: hasta 0,35 %. Mejora las propiedades mecánicas como la tenacidad, la resistencia y la soldabilidad.

Según GOST, la definición de acero como acero con bajo contenido de carbono se refiere a un metal que contiene, además de útiles, una serie de impurezas nocivas en la siguiente cantidad. Esto es:

Fósforo: hasta un 0,08% es responsable de la aparición de fragilidad por frío, reduce la resistencia y la fuerza. Reduce la dureza del metal.
Azufre - hasta 0,06%. Complica el procesamiento del metal por presión, aumenta la fragilidad del templado.
Nitrógeno. Reduce las propiedades tecnológicas y de resistencia de la aleación.
Oxígeno. Reduce la fuerza e interfiere con las herramientas de corte.

Cabe señalar que bajo oLos aceros con bajo contenido de carbono son especialmente blandos y dúctiles. Se deforman bien tanto en frío como en caliente.

La definición de acero al carbono medio así como su composición es, por supuesto, diferente del material descrito anteriormente. Y la mayor diferencia es la cantidad de carbono, que va del 0,2 al 0,45%. Tal metal tiene baja tenacidad y ductilidad junto con excelentes propiedades de resistencia. El acero al carbono medio se usa comúnmente para piezas que se usan bajo cargas de potencia normales.

Si el contenido de carbono es superior al 0,5 %, dicho acero se denomina acero con alto contenido de carbono. Tiene mayor dureza, menor viscosidad, ductilidad y se utiliza para estampar herramientas y piezas por deformación en caliente y en frío.

Además de identificar el carbono presente en el acero, es posible determinar las características del material a través de la presencia de impurezas adicionales en el mismo. Si, además de los elementos ordinarios, el cromo, el níquel, el cobre, el vanadio, el titanio y el nitrógeno en un estado químicamente unido se introducen intencionalmente en el metal, entonces se llama dopado. Dichos aditivos reducen el riesgo de fractura por fragilidad, aumentan la resistencia a la corrosión y la resistencia. Su número indica el grado de aleación del acero:

baja aleación: tiene hasta un 2,5 % de aditivos de aleación;
aleación media - del 2,5 al 10%;
altamente aleado - hasta un 50%.

¿Qué significa esto? Por ejemplo, el aumento de cualquier propiedad comenzó a proporcionarse de la siguiente manera:

Añadiendo cromo. positivoafecta a las características mecánicas ya en la cantidad del 2% del total.
La introducción de níquel del 1 al 5% aumenta el margen de temperatura de la viscosidad. Y reduce la fragilidad por frío.
El manganeso funciona de la misma manera que el níquel, aunque mucho más barato. Sin embargo, ayuda a aumentar la sensibilidad del metal al sobrecalentamiento.
El tungsteno es un aditivo formador de carburo que proporciona una gran dureza. Porque previene el crecimiento del grano cuando se calienta.
El molibdeno es un aditivo caro. Lo que aumenta la resistencia al calor de los aceros rápidos.
Silicio. Aumenta la resistencia a los ácidos, la elasticidad y la resistencia a las incrustaciones.
Titanio. Puede promover la estructura de grano fino cuando se combina con cromo y manganeso.
Cobre. Aumenta las propiedades anticorrosivas.
Aluminio. Aumenta la resistencia al calor, la descamación y la dureza.

Estructura

La determinación de la composición del acero sería incompleta sin estudiar su estructura. Sin embargo, este signo no es constante y puede depender de varios factores, tales como: modo de tratamiento térmico, velocidad de enfriamiento, grado de aleación. De acuerdo con las reglas, la estructura de acero debe determinarse después del recocido o la normalización. Después del recocido, el metal se divide en:

estructura pro-eutectoide - con exceso de ferrita;
eutectoide, que consiste en perlita;
hipereutectoide - con carburos secundarios;
ledeburita - con carburos primarios;
austenítico - con una red cristalina centrada en las caras;
ferrítico: con una red cúbica centrada en el cuerpo.

Es posible determinar la clase de acero después de la normalización. Se entiende como un tipo de tratamiento térmico, que incluye calentamiento, mantenimiento y posterior enfriamiento. Aquí se distinguen los grados perlita, austenítico y ferrítico.

Calidad

La determinación de tipos se ha vuelto posible en términos de calidad de cuatro maneras. Esto es:

Calidad ordinaria: estos son aceros con un contenido de carbono de hasta 0,6%, que se funden en hornos de hogar abierto o en convertidores que utilizan oxígeno. Se consideran los más baratos y tienen características inferiores a los metales de otros grupos. Un ejemplo de tales aceros son St0, St3sp, St5kp.
Calidad. Representantes destacados de este tipo son los aceros St08kp, St10ps, St20. Se funden utilizando los mismos hornos, pero con mayores requisitos para los procesos de carga y producción.
Los aceros de alta calidad se funden en hornos eléctricos, lo que garantiza un aumento de la pureza del material para inclusiones no metálicas, es decir, una mejora de las propiedades mecánicas. Estos materiales incluyen St20A, St15X2MA.
Especialmente de alta calidad: se fabrican según el método de metalurgia especial. Se someten a una refundición por electroescoria, que proporciona una purificación de sulfuros y óxidos. Los aceros de este tipo incluyen St18KhG-Sh, St20KhGNTR-Sh.

Aceros estructurales

Este es quizás el signo más simple y comprensible para el profano. Hay aceros estructurales, para herramientas y para propósitos especiales. Estructural se suele dividir en:

Los aceros para la construcción son aceros al carbono de calidad ordinaria y representantes de la serie de baja aleación. Están sujetos a varios requisitos, el principal de los cuales es la soldabilidad a un nivel suficientemente alto. Un ejemplo es StS255, StS345T, StS390K, StS440D.
Los materiales cementados se utilizan para fabricar productos que funcionan en condiciones de desgaste superficial y, al mismo tiempo, experimentan cargas dinámicas. Estos incluyen aceros de bajo carbono St15, St20, St25 y algunos aleados: St15Kh, St20Kh, St15KhF, St20KhN, St12KhNZA, St18Kh2N4VA, St18Kh2N4MA, St18KhGT, St20KhGR, St30KhGT
Para el estampado en frío, se utilizan hojas laminadas de muestras bajas en carbono de alta calidad. Como St08Yu, St08ps, St08kp.
Aceros tratables que se mejoran mediante el proceso de temple y alto revenido. Se trata de aceros de medio carbono (St35, St40, St45, St50), cromo (St40X, St45X, St50X, St30XRA, St40XR), así como cromo-silicio-manganeso, cromo-níquel-molibdeno y cromo-níquel.
Los resortes de resorte tienen propiedades elásticas y las retienen durante mucho tiempo, ya que tienen un alto grado de resistencia a la fatiga y la destrucción. Estos son representantes de carbono de St65, St70 y aceros aleados (St60S2, St50KhGS, St60S2KhFA, St55KhGR).
Las muestras de alta resistencia son aquellas que tienen el doble de resistencia que otros aceros estructurales, logradas mediante tratamiento térmico y composición química. En general, estos son aceros aleados de medio carbono, por ejemplo, St30KhGSN2A, St40KhN2MA, St30KhGSA, St38KhN3MA, StOZN18K9M5T, St04KHIN9M2D2TYu.
Cojinete de bolasLos aceros se caracterizan por una resistencia especial, un alto grado de resistencia al desgaste y resistencia. Están obligados a cumplir los requisitos para la ausencia de varios tipos de inclusiones. Estas muestras incluyen aceros de alto carbono con un contenido de cromo en la composición (StSHKh9, StSHKh15).
Las definiciones de acero automático son las siguientes. Estas son muestras para uso en la fabricación de productos no críticos como pernos, tuercas, tornillos. Estas piezas de repuesto suelen estar mecanizadas. Por lo tanto, la tarea principal es aumentar la maquinabilidad de las piezas, lo que se logra introduciendo telurio, selenio, azufre y plomo en el material. Dichos aditivos contribuyen a la formación de virutas cortas y quebradizas durante el mecanizado y reducen la fricción. Los principales representantes de los aceros automáticos se designan de la siguiente manera: StA12, StA20, StA30, StAS11, StAS40.
Los aceros resistentes a la corrosión son aceros aleados con un contenido de cromo de alrededor del 12%, ya que forma una película de óxido en la superficie que evita la corrosión. Representantes de estas aleaciones son St12X13, St20X17N2, St20X13, St30X13, St95X18, St15X28, St12X18NYUT,
Las muestras resistentes al desgaste se utilizan en productos que funcionan bajo fricción abrasiva, golpes y fuertes presiones. Un ejemplo son las piezas de vías férreas, trituradoras y máquinas oruga, como St110G13L.
Los aceros resistentes al calor pueden funcionar a altas temperaturas. Se utilizan en la fabricación de tuberías, repuestos para turbinas de gas y vapor. Se trata principalmente de muestras de alta aleación y bajo contenido de carbono, que necesariamente contienen níquel, que puede contener aditivos en formamolibdeno, nobio, titanio, tungsteno, boro. Un ejemplo sería St15XM, St25X2M1F, St20XZMVF, St40HUS2M, St12X18N9T, StXN62MVKYU.
Resistentes al calor son particularmente resistentes al daño químico en ambientes de aire, gas y horno, oxidación y carburación, pero muestran fluencia bajo cargas severas. Representantes de este tipo son St15X5, St15X6SM, St40X9S2, St20X20H14S2.

Aceros para herramientas

En este grupo, las aleaciones se dividen en troqueles, para herramientas de corte y medición. Hay dos tipos de aceros para troqueles.

El material para la formación en frío debe tener un alto grado de dureza, resistencia, resistencia al desgaste, resistencia al calor. Pero tenga suficiente viscosidad (StX12F1, StX12M, StX6VF, St6X5VMFS).
El material de formación en caliente tiene buena resistencia y tenacidad. Junto con la resistencia al desgaste y la resistencia a las incrustaciones (St5KhNM, St5KhNV, St4KhZVMF, St4Kh5V2FS).

Los aceros para herramientas de medición, además de la resistencia al desgaste y la dureza, deben ser dimensionalmente estables y fáciles de rectificar. De estas aleaciones se fabrican calibres, grapas, plantillas, reglas, escalas, tejas. Un ejemplo serían las aleaciones StU8, St12Kh1, StKhVG, StKh12F1.

La determinación de grupos de acero para herramientas de corte es bastante fácil. Tales aleaciones deben tener capacidad de corte y alta dureza durante mucho tiempo, incluso cuando se someten a calor. Estos incluyen herramientas de carbono y aleación, así comoaceros de alta velocidad. Aquí puede nombrar a los siguientes representantes destacados: StU7, StU13A, St9XS, StKhVG, StR6M5, Stryuk5F5.

Desoxidación de la aleación

La determinación del acero por el grado de desoxidación implica sus tres tipos: calma, semi-calma y ebullición. El mismo concepto se refiere a la eliminación de oxígeno de la aleación líquida.

El acero silencioso casi no emite gases durante la solidificación. Esto se debe a la eliminación completa del oxígeno y la formación de una cavidad de contracción en la parte superior del lingote, que luego se corta.

En los aceros semicalmos se liberan parcialmente los gases, es decir, más que en los aceros calmados, pero menos que en los hirvientes. Aquí no hay caparazón, como en el caso anterior, pero se forman burbujas en la parte superior.

Las aleaciones en ebullición liberan una gran cantidad de gas cuando se solidifican, y en la sección transversal es suficiente para notar la diferencia en la composición química entre las capas superior e inferior.

Dureza

Este concepto se refiere a la capacidad de un material para resistir una penetración más fuerte en él. La determinación de la dureza fue posible utilizando tres métodos: L. Brinell, M. Rockwell, O. Vickers.

Según el método Brinell, se presiona una bola de acero endurecido en la superficie del suelo de la muestra. Estudiando el diámetro de la impresión, determine la dureza.

Método para determinar la dureza del acero según Rockwell. Se basa en el cálculo de la profundidad de penetración de una punta de cono de diamante de 120 grados.

Según Vickers en la muestra de pruebase presiona una pirámide tetraédrica de diamante. Con un ángulo de 136 grados en caras opuestas.

¿Es posible determinar el grado de acero sin análisis químico? Los especialistas en el campo de la metalurgia pueden reconocer el grado de acero por una chispa. La determinación de los constituyentes del metal es posible durante su procesamiento. Entonces, por ejemplo:

El acero CVG tiene chispas de color carmesí oscuro con puntos y mechones de color amarillo-rojo. En los extremos de los hilos ramificados, aparecen estrellas rojas brillantes con granos amarillos en el medio.
El acero P18 también se identifica por chispas de color carmesí oscuro con mechones amarillos y rojos al principio, sin embargo, los hilos son rectos y no tienen horquillas. En los extremos de los paquetes hay chispas con uno o dos granos de color amarillo claro.
Los grados de acero ХГ, Х, ШХ15, ШХ9 tienen chispas amarillas con estrellas claras. Y granos rojos en las ramas.
El acero U12F se distingue por chispas de color amarillo claro con estrellas densas y grandes. Con varios mechones rojos y amarillos.
Los aceros 15 y 20 tienen chispas de color amarillo claro, muchos tenedores y estrellas. Pero pocos mechones.

La determinación del acero por chispa es un método bastante preciso para los especialistas. Sin embargo, la gente común no puede caracterizar el metal examinando solo el color de la chispa.

Soldabilidad

La propiedad de los metales para formar una unión bajo un cierto impacto se denomina soldabilidad de los aceros. La determinación de este indicador es posible después de detectar el contenido de hierro y carbono.

Se cree que están bien conectados por soldaduraaceros de bajo carbono. Cuando el contenido de carbono supera el 0,45%, la soldabilidad se deteriora y empeora cuando el contenido de carbono es alto. Esto también sucede porque aumenta la f alta de homogeneidad del material y se destacan las inclusiones de sulfuro en los límites de grano, lo que conduce a la formación de grietas y un aumento de la tensión interna.

Los componentes de aleación también actúan empeorando la unión. Los más desfavorables para la soldadura son elementos químicos como el cromo, el molibdeno, el manganeso, el silicio, el vanadio y el fósforo.

Sin embargo, el cumplimiento de la tecnología cuando se trabaja con aceros de baja aleación proporciona un buen porcentaje de soldabilidad sin el uso de medidas especiales. La determinación de la soldabilidad es posible después de evaluar una serie de cualidades importantes del material, que incluyen: