| Este artículo es ligado a los compuestos del hierro y del carbono |
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El acero es una aleación metálica utilizado en las propiedades de la construcción metálica (ver también el artículo sobre la teoría del soudage del acero) y de la construcción mécanique.
El acero es constituido de al menos dos elementos, mayoritariamente el hierro después el carbono en proporciones comprendidas entre 0,02 % y 1,67 % en masa.
Es esencialmente la teneur en carbono que confiere en la aleación las propiedades del metal que se llama « acero ». Hay otros metales en base de hierro que no son de los aceros como los deshielos y los ferronickels por ejemplo.
Los aceros son elaborados para resistir a solicitaciones mécaniques o de las agresiones químicas o una combinación de las dos.
Para resistir en estas solicitaciones y/o agresiones, de los elementos químicos pueden ser añadidos además del carbono. Estos elementos son llamados elementos de adiciones, los principales son el manganèse (Mn), el chrome (Cr), el nickel (Ni), el molybdène (Mo).
Los elementos químicos presentes en el acero pueden ser clasificados 3 categorías :
La teneur en carbono tiene una influencia considerable (y bastante compleja) sobre las propiedades del acero : debajo de 0,008 %, la aleación es más bien malléable y se habla de « hierro » ; más allá de 2,11 %, las inclusiones de carbono bajo forma graphite fragilisent la microstructure y se habla de deshielo . Entre estos dos valores, el aumento de la teneur en carbono tiene tendencia a mejorar el aguante mécanique y la dureza de la aleación ; se habla aceros « dulces, mi-dulces, mi-duros, duros o extra-duros » (clasificación tradicional).
Se modifica igualmente las propiedades de los aceros añadiendo otros elementos, principalmente metálicos, y se habla aceros aliados. Además, se puede todavía mejorar grandement sus característicos por tratamientos térmicos (sobre todo los empapas) tomando en superficie o a cœur de la materia ; se habla entonces aceros tratados.
Indigne estas diversas potencialidades, y comparativement a las demás aleaciones metálicas, el interés mayor de los aceros reside por un lado en el cúmulo de valores elevados en las propiedades mécaniques fundamentales :
Por otro lado, su coste de elaboración queda relativamente moderado, porque el mineral de hierro es abundante sobre tierra (aproximadamente 5 % de la écorce) y su reducción bastante mera (por adición de carbono a elevada temperatura). Finalmente los aceros son prácticamente totalmente recyclables gracias a la filière ferraille.
Se puede sin embargo reconocerles algunos inconvenientes, sobre todo les malo aguante a la corrosion a la cual se puede sin embargo remediar, sea por varios tratamientos de superficie (pintura, brunissage, zingage, galvanisation a caliente, etc.), Sea por la utilización de matices de acero dicho « inoxidable ». Por otra parte, los aceros son difícilmente moulables, pues poco recomendados para las piezas volumineuses de formas complejas (construye máquinas, por ejemplo). Se les prefiere entonces deshielos . Finalmente, cuando su gran masa volumique es pénalisante (en el sector aeronáutico por ejemplo), se se gira verso de los matériaux más ligeros (aleaciones en basede aluminio, titane,composites, etc.), Que tienen el inconveniente de estar más caros.
De este hecho, los aceros quedan privilegiados en casi todas las propiedades de aplicación técnica : equipos públicos (puentes y calzadas, señalización), industria química, pharmaceutique y nuclear (equipos bajo presión, equipos sometidos la acción de la llama, recipientes diversos), agroalimentario (acondicionamiento y almacenaje), edificio (armatures, charpentes, ferronnerie, quincaillerie), industria mécanique y térmica (motores, turbines, compresseurs), automovilístico (carrosserie, equipos), ferroviario, aeronáutico y aeroespacial), médico (instrumentos, aparatos y prótesis), componentes mécaniques (visserie, ressorts, cables, rotaciones, engrenages), outillage de golpea (marteaux, burins, matrices) y de copa (fresas, forets, puerta-plaquette), mobilier, de diseño y equipos electrodomésticos, etc.
Desde la Edad del hierro, se utilizaba los bajos fourneaux para producir de los massiots compuestos de hierro y de acero, que debían luego ser trabajados a mano por los herreros.
Se considera a menudo Réaumur como el fundador de la sidérurgie científica moderna. En efecto, realizó de muy numerosas experiencias con el fin de mejorar la fabricación del acero y publicó los resultados de sus observaciones en 1712.
El acero ha aparecido, con la evolución de la métallurgie, hacia 1786. En lo que va de año-allí, tres sabios franceses, Berthollet, Monge y Vandermonde [2], caracterizaron tres tipos de productos obtenidos a marchar de la fluida de las alturas-fourneaux : el hierro, el deshielo y el acero. El acero era obtenido entonces a marchar del hierro, le-mismo producido por affinage del deshielo salido de la altura-fourneau. El acero era más duro que el hierro y menos frágil que el deshielo.
Al XIXe siglo han aparecido métodos de fabricación con conversión directa del deshielo, con los convertisseurs Bessemer 1856 (Henry Bessemer); el procedido Thomas-Gilchrist de déphosphoration del deshielo en 1877 (Sidney Gilchrist Thomas y Percy Carlyle Gilchrist) y el método Siemens-Martin. Estos descubrimientos, permitiendo la fabricación en masa de un acero de « calidad » (para la época), participan en la Revolución industrial. Finalmente, hacia la segunda mitad del XIXe siglo, Dmitry Chernov descubra las transformaciones polymorphes del acero y establece el diagramme binaire hierro/carbono, que hace pasar la métallurgie del estado de artisanat a aquel de ciencia.
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Se distingue varios tipos de aceros según el porcentaje massique de carbono que contienen :
El límite de 2,11 % corresponde en la zona de influencia de la eutectique (lédéburite) ; hay sin embargo aceros lédéburitiques.
La estructura cristalline de los aceros en el equilibrio thermodynamique depende de su concentración (esencialmente en carbono pero también otros elementos de aleación), y de la temperatura. Se puede también tener estructuras fuera de equilibrio (por ejemplo en el caso de una empapa).
La estructura del hierro puro depende de la temperatura :
La estructura del hierro + carbono evoluciona de un modo más complejo en funciones de la temperatura y de la teneur en carbono. Las reglas difieren dependiendo de que se es fuera de la zona de influencia » de la eutectoïde (entre 0 % y 0,022 %, entre 0,022 % y 0,77 % (perlite) o entre 0,77 % y 2,11 % (más allá, se trata de deshielo). Ver el estudio del diagramme hierro-carbono.
De una manera simplificada, para un carbono comprendido entre 0,022 % y 2,11 % :
Los aceros no aliados (al carbono) pueden contener hasta 2,11 % en masa de carbono. Ciertos aceros aliados pueden contener más de carbono por el ajout de elementos dichos « gammagènes ».
| Los diferentes fases delacero | |
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Austénite • Bainite • Cémentite • Ferrite • Martensite • Perlite | |
El carbono tiene una importancia primordial porque es le que, asociado al hierro, confiere en la aleación el nombre de acero. Su influencia sobre las propiedades mécaniques del acero es prépondérante. Por ejemplo, en cuanto a la mejora de la propiedad de dureza, la adición de carbono es treinta vez \
El aluminio : excelente désoxydant. Asociado al oxígeno, reduce el crecimiento del grano en fase austénitique. Puede devolver el acero inapte a la galvanisation a caliente.
El chrome : es el elemento de adición que confiere en el acero la propiedad de aguante mécanique a caliente y a la oxidación (aceros rebeldes). Goza también un rol determinante en el aguante a la corrosion cuando es presente a una teneur además de 12 a 13 % (según la teneur en carbono). Sumado del 0,5% al 9% aumenta la trempabilité (familia de los aceros al chrome). Tiene un rol alphagène.
El cobalt : utilizado en numerosas aleaciones magnéticas. Provoca un aguante al adoucissement durante el ingreso.
El manganèse : forma de las sulfures que mejoran el usinabilité. Aumenta modérément la trempabilité.
El molybdène : aumenta la temperatura de surchauffe, el aguante en elevada temperatura y el aguante al fluage. Aumenta la trempabilité.
El nickel : devuelve austénitiques (role gammagène) los aceros a fuerte teneur chrome. Sirve a producir aceros de trempabilité moderada o elevada (según los demás elementos presentes), a baja temperatura de austénitisation y a tenacidad elevada después de tratamiento de ingreso. Es el elemento de aleación por Exc (hasta una teneur de 9 %) de los aceros para aplicación cryogéniques.
El niobium : misma ventaja que el titane pero mucho menos volatile. En la propiedad del soudage lo reemplaza pues en los metales de aportación.
El phosphore : aumenta fuertemente la trempabilité. Aumenta el aguante a la corrosion. Puede contribuir en la fragilidad de ingreso.
El silicio : favorece la orientación cristalline requerida para la fabricación de un acero magnético, aumenta la résistivité eléctrica. Mejora el aguante en la oxidación de ciertos aceros rebeldes. Utilizado como elemento désoxydant.
El titane : poder carburigène elevado (como el niobium) y reduce pues la dureza de la martensite. Elimina el carbono en solución a elevada temperatura y reducido el riesgo de corrosion intergranulaire (TiC se forma antes Cr23C6 evita pues el appauvrissement chrome al juntado de grano).
El tungstène : mejora la dureza en elevada temperatura de los aceros empapados vueltos. Funciones sensiblemente idénticas a aquellas del molybdène.
El vanadium : aumenta la trempabilité. Eleva la temperatura de surchauffe. Provoca un aguante al adoucissement por ingreso (efecto de endurecimiento secundario marcado).
Durante el enfriamiento de un lingot, el acero se solidifie al estado de austénitique. Durante el enfriamiento, a 727 °C, el austénite se décompose, sea ferrite + perlite, sea perlite + cémentite. La velocidad de enfriamiento así como los elementos de aleación tienen una importancia capital sobre la estructura obtenida, y pues sobre las propiedades del acero. En efecto :
De manera general :
Ciertos elementos químicos pueden « piéger » el carbono para formar de los carbures (por ejemplo el titane o el aluminio). Impiden así la formación de cémentite.
Se puede modificar la estructura del acero por tratamientos thermomécaniques :
La métallurgie de las pólvoras consiste en compacter de la pólvora de acero y de la chauffer debajo de la temperatura de fusión, pero suficientemente para que los granos se « soudent » (frittage). Eso permite maîtriser la estructura del acero y su estado de superficie ( particular no de retirada ni de retassure [Qué ?]), Pero introducido de la porosité.
Hay aceros faiblement aliados, a flojo teneur en carbono, y al contrario de los aceros continente mucho elementos de aleación (por ejemplo, un acero inoxidable típico contiene 8 % de nickel y 18 % de chrome en masa).
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Cada país tiene su modo de designación de los aceros. La esquema aquí-contra indica la designación europea según la norma EN10027. Esta norma distingue cuatro categorías :
Son destinados en la construcción soudée, a la usinage, al pliage… Se distingue :
La designación de estos aceros comprende la carta del tipo de acero seguido del valor del límite élastique (Re) méga-pascal (MPa). Se se trata de un acero moulé, la designación es precedida de la carta G. La designación puede ser completada por indicaciones adicionales (pureza, aplicación dédiée…)
Ejemplos :
Su composición es más precisa y más pura y corresponde a usos define anticipadamente.
Sus aplicaciones corrientes son las forets (perceuses), ressorts, árboles de transmisión, matrices (moldes)…
Su designación comprende la carta C seguida de la teneur en carbono multiplicado por 100. Se se trata de un acero moulé, se precede la designación de la carta G. Ejemplos :
Ningún elemento de adición no que sobresale 5 % en masa, son utilizados para aplicaciones que necesitan un elevado aguante.
Ejemplos de designación normalizada :
Al menos un elemento de adición sobresale los 5 % en masa, destinados a usos bien específicos, encuentra aceros a herramientas, rebeldes, maraging (muy elevada aguante, utilizados enla aeronáutica), Hadfields (muy grande aguante en el desgaste), Invar (débil coeficiente de dilatación)
Un ejemplo de designación normalizada : X2CrNi18-9 (es un acero inoxidable).
Los aceros rápidos (high speed steels, HSS) forman parte de esta familia.
Estos aceros presentan un gran aguante a la corrosion, a laoxidación a caliente y al fluage (deformación irreversible). Son aliados esencialmente al chrome, elemento que confiere la propiedad de inoxydabilité, y al nickel, elemento que confiere buenas propiedades mécaniques. Los aceros inoxidables son clasificados cuatro familias : ferritique, austénitique, martensitique y austéno-ferritique. Los aceros inoxidables austénitiques son los plus malléables y conservan esta propiedad a muy baja temperatura (-200 °C).
Sus aplicaciones son múltiples : chimie, nuclear, alimentario, pero también coutellerie y equipos ménagers. Estos aceros contienen al menos 10,5 % de chrome y menos de 1,2 % de carbono .
Estos aceros son concebidos que siguen el principio de los composites : por tratamientos térmicos y mécaniques, se llega a enriquecer localmente la materia de ciertos elementos de aleación. Se obtiene entonces una mezcla de fases duras y de fases ductiles, cuya combinación permite la obtención de mejores característicos mécaniques. Se citará, por ejemplo :
El acero es una aleación esencialmente compuesta de hierro, su densidad varía pues en torno a aquella del hierro (7,32 a 7,86), que sigue su composición química y sus tratamientos térmicos. La densidad de un acero inox es típicamente un poco superior a 8. Por ejemplo, la densidad de un acero inoxidable de tipo AISI 304 (X2CrNi18-10) es aproximadamente 8,02.
Tienen un módulo de Young de aproximadamente 210 000 MPa, independientemente de su composición. Las demás propiedades varían enormemente en funciones de su composición, del tratamiento thermo-mécanique y de los tratamientos de superficie a los cuales han estado sujeto.
El tratamiento thermo-mécanique es la asociación :
El tratamiento de superficie consiste en modificar la composición química o la estructura de una corteza exterior de acero. Encubrió puede ser :
Ver también el artículo detallado tratamientos anti-desgaste.
La soudabilité de los aceros es inversamente proporcionales a la teneur en carbono. Todos los matices de acero no han la misma aptitud al soudage y anuncian gradas de soudabilité diferentes (ver el artículo sobre el soudage). Ciertos aceros son de en otro lugar intrinsèquement no soudables. Para que un acero sea soudable es primordial que los aciéristes se preocupan de la soudabilité de los aceros que producen desde la elaboración en la preocupación de optimiser la apuesta œuvre ultérieure. A título de ejemplo, se señalará que el código ASME (American Society of Mechanical Engineer), en su volumen específico en la construcción de equipos bajo presión, exige que el testimonio de conformidad de un acero utilizado no sería-lo que como pieza provisional soudée a título temporal sobre una labor sometida al dice código menciona sin ambiguïté la calidad de « acero soudable ».
Siete factores al menos determinan el coste de producción de un acero :
El impacto de los 6 primeras exigencias puede tener una incidencia de algunas decenas de euros la tonelada a más de 50 % del precio de base (acero estándar conforme en la norma sin opción), de donde la importancia de consultar las aciéristes (que se llama también « forjas ») sobre las bases de una especificación técnica acorde con las exigencias contractuales. El 7e punto con respecto a lucido no ha de límite racional.
mwl:Aço