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Comprensión de las propiedades del Acero

Cada tipo de acero tiene propiedades únicas que afectan su desempeño. Al encontrar un tipo de acero para especificar, es importante comprender cómo las propiedades del material afectarán todos los aspectos de su proyecto.


Solo con la mayoría de las cosas en la vida, existen compensaciones al seleccionar un tipo de acero. Esto requiere tener un conocimiento profundo de la fabricación, construcción o ensamblaje y uso de su producto o proyecto antes de seleccionar las propiedades ideales del acero.


Características


Soldabilidad

La soldabilidad es una propiedad del acero que afecta en gran medida la facilidad con que se puede usar en la construcción y fabricación. La soldabilidad de los aceros determina la facilidad con la que se puede soldar un material. Es probable que los materiales con baja soldabilidad se agrieten debido a las tensiones locales causadas por el calentamiento en la unión soldada. La soldabilidad de los materiales está inversamente relacionada con la templabilidad de los materiales. Esto se debe a que si un material es endurecible, tenderá a endurecerse durante el proceso de soldadura, lo que puede aumentar la fragilidad y provocar grietas debido a la tensión térmica local.


Hay muchos métodos de soldadura diferentes que incluyen soldadura por arco (también conocida como electrodo revestido), soldadura MIG, soldadura TIG, soldadura por arco con núcleo de fundente, soldadura por haz de energía, soldadura por fricción y más. Cada método de soldadura se utiliza en diferentes escenarios para diferentes tipos de metales.

Para soldar aceros con baja soldabilidad se puede utilizar un proceso de tratamiento térmico que aumentará la ductilidad del material durante la soldadura haciéndolo menos susceptible al agrietamiento. También es posible que deba aliviar las tensiones residuales después de la soldadura mediante otro proceso de tratamiento térmico.

Templabilidad

Si su diseño va a ser necesario para cortar o necesita una resistencia sustancial al desgaste, entonces la propiedad de templabilidad del acero debe sopesarse en su decisión.

La capacidad de endurecimiento de los materiales determina la facilidad con la que el material puede endurecerse mediante tratamiento térmico. A medida que aumenta la templabilidad, la soldabilidad disminuye y viceversa. El acero con una templabilidad adecuada o alta puede tener niveles de dureza especificados durante la fase de diseño. Esta es una práctica estándar para herramientas y aplicaciones que requieren durabilidad de la superficie. Dado que la dureza y la ductilidad se relacionan inversamente, controlar la dureza de un material permite optimizar las propiedades de los materiales.

La templabilidad puede verse afectada por las aleaciones, pero también depende del contenido de carbono. Las aleaciones de acero para herramientas que tienen una templabilidad excepcional también tienen un alto contenido de carbono. Además, muchos aceros solo pueden endurecerse en la superficie y no en su totalidad.

Maquinabilidadilidad

Si va a tener que cortar o quitar material para su diseño, la propiedad de maquinabilidad del acero debería jugar un papel en la selección del material.


La maquinabilidad depende de muchos factores. Si un material es demasiado duro, reducirá la vida útil de la herramienta y aumentará drásticamente los costos de las piezas. Si un material es demasiado dúctil, puede retroceder después de ser cortado, lo que dificulta el cumplimiento de las tolerancias. Los metales más mecanizables son los de menor dureza y ductilidad moderada. Para evitar el desgaste rápido de las herramientas, la mayoría de los metales se tratan térmicamente a la dureza deseada después de ser mecanizados. 01 El acero para herramientas, por ejemplo, se mecaniza después de recocido completamente para eliminar cualquier tensión residual y mejorar la maquinabilidad. Una vez que se mecaniza el acero para herramientas, se trata térmicamente hasta obtener la dureza deseada.


La capacidad de los materiales para endurecerse por trabajo también puede reducir la capacidad de mecanizado de una pieza, ya que se deforma y endurece durante la fabricación. Esto puede provocar una acumulación térmica en la pieza mecanizada en lugar de las virutas de metal que provocan distorsiones térmicas que dificultan el cumplimiento de las tolerancias. Si las tasas de corte y las velocidades no se cumplen adecuadamente, también es posible que algunos metales se endurezcan hasta el punto de alcanzar la misma dureza que la herramienta, lo que provoca una falla peligrosa de la herramienta. Los metales como el acero inoxidable y las aleaciones de alta temperatura son los más propensos al endurecimiento por trabajo y requieren un cuidado especial durante el mecanizado.

Se ha creado un sistema de clasificación de maquinabilidad que se basa en un número significativo de factores. El sistema utiliza acero 1212 como punto de referencia del 100%.

Trabajabilidad (Doblado / Conformado)

Si su diseño requiere doblar acero o si puede beneficiarse del bajo costo y el alto volumen de estampado, entonces la propiedad de trabajabilidad del acero será fundamental para su proyecto.


La trabajabilidad afecta la facilidad con que se puede doblar o formar un material. Esto se hace comúnmente para formar láminas de metal o incluso placas de acero en varias formas, desde paneles de automóviles hasta tubos de acero laminados muy grandes. Los metales con alta capacidad de trabajo se pueden utilizar en estampación sin la necesidad de servoprensas costosas o se pueden formar fácilmente en varias formas con radios de curvatura estrechos.


Las propiedades del material, incluidas la dureza y la ductilidad, tienen un gran efecto sobre la trabajabilidad. Los metales de mayor resistencia, como el acero con alto contenido de carbono, tienen menor ductilidad, lo que los hace mucho menos manejables en comparación con el acero con bajo contenido de carbono, que tiene una alta ductilidad. Para formar metal, debe ceder, haciendo que los metales con un alto punto de fluencia y menor ductilidad sean menos trabajables, ya que requieren más energía para doblarse y son propensos a fracturarse durante el doblado. Una curva de tensión-deformación de materiales puede guiar cuánto se puede formar un material antes de fallar.


Una vez trabajado un material, éste retendrá las tensiones residuales y tendrá una ductilidad reducida debido al endurecimiento por trabajo. Si es necesario, las tensiones residuales del material se pueden relajar recociendo el metal formado, lo que elimina las tensiones residuales y devuelve la ductilidad.


La trabajabilidad también se puede aumentar calentando el metal. Esto se conoce como trabajabilidad en caliente. A medida que se calienta un metal, su ductilidad aumenta y el límite elástico disminuye, lo que conduce a una trabajabilidad drásticamente aumentada. Esto se puede utilizar para formar en caliente metales de mayor resistencia que normalmente se agrietarían si se formaran en frío.

Resistencia al desgaste

Si está fabricando una cuchilla, un troquel de estampación o algo similar, la propiedad de resistencia al desgaste del acero determinará cuánto tiempo se puede usar su herramienta antes de fallar.


La resistencia al desgaste es una resistencia de los materiales a la pérdida de material de la superficie debido a alguna forma de acción mecánica, como abrasión, erosión, adhesión, fatiga o cavitación. Los materiales como el diamante y el zafiro tienen una resistencia al desgaste extraordinariamente alta, lo que los hace ideales para usar como piedras preciosas que duran toda la vida o para herramientas de corte exigentes. La dureza de la superficie afecta en gran medida la resistencia al desgaste de un material. La alta dureza de la superficie de una lima le permite desgastar otros metales de menor dureza sin experimentar un desgaste significativo.


La dureza o resistencia al desgaste de los metales se ve afectada por la geometría reticular formada por los átomos del metal. Si los átomos pueden moverse o dislocarse dentro de esta red debido a irregularidades, entonces la dureza del metal es menor. Cuando se evitan las dislocaciones debido a la estructura de celosía, la dureza del metal aumenta, proporcionando mejores propiedades de desgaste. Cuando un metal se trata térmicamente para aumentar la dureza de los metales, la estructura reticular se reorganiza para formar martensita en la que la estructura reticular es mucho menos propensa a deslizarse.

Resistencia a la corrosión

La resistencia a la corrosión mide qué tan bien un material puede resistir el daño causado por la oxidación u otras reacciones químicas. Los metales tienen diferentes niveles de resistencia a la corrosión.


Los metales que van a estar expuestos a la lluvia, el agua, la humedad o cualquier otra cosa que pueda hacer que la superficie de un metal se oxide son vulnerables al daño por corrosión. Para protegerse contra la corrosión, puede usar acero inoxidable o galvanizado, titanio, aluminio, acero resistente a la intemperie o agregar y mantener una capa selladora como pintura.


A menos que un metal solo esté expuesto al vacío, después de un tiempo suficiente se producirá corrosión. Esta es la razón por la que se necesita el mantenimiento y la supervisión de la prevención de la corrosión para cualquier componente crítico. Para determinar las recomendaciones de mantenimiento, querrá calcular la tasa de corrosión.

Debido al alto costo del acero inoxidable y el aluminio, la mayoría de los proyectos civiles a gran escala en la actualidad dependen del acero resistente a la intemperie o de selladores como pintura o cubiertas de concreto para evitar daños por corrosión.


Si bien los materiales como el acero inoxidable, el acero galvanizado, el acero resistente a la intemperie, el titanio o el aluminio son altamente resistentes a la corrosión, no son a prueba de corrosión. Acero inoxidable, contiene una capa de óxido muy fina que permanece pasiva en presencia de elementos corrosivos. Es posible que la capa pasiva se descomponga exponiendo los puntos localizados a la corrosión. El acero galvanizado proporciona resistencia a la corrosión a través de una fina capa de revestimiento de zinc que se adhiere al hierro. Si la capa galvanizada se desgasta, el acero volverá a ser susceptible a la corrosión. De manera similar, el acero, el titanio o el aluminio resistentes a la intemperie pueden verse afectados por la corrosión en determinadas situaciones. La mejor protección contra la corrosión es el monitoreo y el mantenimiento.


Propiedades


Fuerza de rendimiento (esfuerzo de rendimiento o punto)

El límite elástico de un material es el punto en el que un material comienza a experimentar un aumento significativo en la tasa de deformación en relación con la tensión. En este punto, los materiales dúctiles, como el acero con bajo contenido de carbono, comenzarán a sufrir una deformación significativa. Un ejemplo de esto es una habitación sobrellenada donde el piso comienza a desviarse mucho más de lo que es típico.

La mayoría de los diseños utilizarán el límite elástico como límite de diseño, ya que una vez que un material supera el límite elástico, su vida a fatiga se reduce drásticamente. Algunos diseños en los que permanecer por debajo del límite elástico de un material pueden sumar un costo significativo o que solo requieren un número limitado de usos pueden exceder el límite elástico y permitir la deformación plástica. Para diseñar un componente para la deformación plástica y cumplir con los recuentos de ciclos requeridos, deberá utilizar técnicas de análisis más avanzadas, como FEA transitoria no lineal, que ASR Engineering proporciona con frecuencia a nuestros clientes.


Los resortes dependen de un límite elástico muy alto que les permite permanecer elásticos y volver a su posición original después de deformarse.

Resistencia a la tracción (tensión máxima)

La tensión máxima o de tracción de un material es el punto en el que la deflexión continuará hasta la fractura, a menos que se reduzca la carga. En otras palabras, esta es la cantidad de estrés que hará que un material falle con el tiempo suficiente. Si se acerca a la resistencia a la tracción de un material, deberá agregar refuerzo, aumentar el área de la sección transversal, cambiar a un material de mayor resistencia o reducir la carga.

Alargamiento

El alargamiento mide cuánto se estirará un material en comparación con su estado inicial antes de la fractura. Esto se comunica como un porcentaje del alargamiento total dividido por la longitud inicial. Por ejemplo, una banda de goma de 1 pulgada de largo que puede alargarse a 2 pulgadas antes de fracturarse tendría un alargamiento del 100% en la fractura.

Cuanto más frágil es un material, menos se alarga antes de fracturarse. Los materiales como el hormigón o el vidrio son extremadamente frágiles y se fracturan o agrietan si experimentan casi cualquier alargamiento. Sin embargo, los metales varían significativamente en cuanto a cuánto pueden alargarse antes de fallar. Por ejemplo, los aceros aleados y con bajo contenido de carbono típicamente se alargarán mucho más que los aceros con alto contenido de carbono.

Dureza

La dureza de un material mide cuánto resistirá la deformación plástica local debido a la indentación mecánica o la abrasión. La dureza es especialmente importante durante la fabricación. Los materiales con alta dureza no se pueden mecanizar o formar de manera similar a los materiales con menor dureza. Normalmente, los metales se endurecerán mediante un proceso de tratamiento térmico después de ser formados o mecanizados para cumplir con las especificaciones requeridas sin aumentar drásticamente los costes de fabricación.


Si bien existen múltiples escalas y tipos de dureza, la más popular para el mecanizado es la escala Rockwell. La prueba de Rockwell mide la profundidad de penetración de un penetrador bajo una gran carga y la compara con la penetración de una precarga. A diferencia de otras pruebas de dureza, la prueba de Rockwell se considera no destructiva. Hay tres escalas de dureza Rockwell, incluidas HRA, HRB y HRC, que se seleccionan en función de cuál representa mejor la dureza de los materiales, y HRC representa los materiales más duros.


Aceros muy duros como cinceles, cuchillos de alta calidad, herramientas y limas tienen una dureza de entre 55 y 66 HRC. Mientras tanto, el acero sin tratamiento térmico como el A36 ni siquiera usa la escala HRC más alta y tiene una dureza de solo HRB 67-83 o HRC N / A-2 (HRB 67 no se superpone con la escala HRC).

Si alguna vez se preguntó por qué la calidad del filo de un cuchillo o de una herramienta de corte puede variar tanto, es por su dureza. Cuando paga por un cuchillo o herramienta de alta calidad, mucho de lo que paga es el trabajo adicional y la dificultad que se necesita para adquirir la dureza deseada que puede durar sin desafilar mucho más que los competidores de baja calidad.

Fuente: asrengineering

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