Aceros

Los aceros son aleaciones de hierro-carbono que pueden contener concentraciones apreciables de otros elementos de aleación. La adición de una pequeña cantidad de carbono no metálico al hierro Cambia su gran ductilidad por la mayor ductilidad. Debido a su resistencia muy alta, pero aún dureza sustancial, y su capacidad de ser alterado en gran medida por el tratamiento térmico, el acero es una de las aleaciones ferrosas más útiles y comunes en el uso moderno., Hay miles de aleaciones que tienen diferentes composiciones y/o tratamientos térmicos. Las propiedades mecánicas son sensibles al contenido de carbono, que normalmente es inferior al 1,0% en peso. De acuerdo con la clasificación AISI, el acero al carbono se divide en cuatro clases basadas en el contenido de carbono.,

tipos de aceros – clasificación basada en la composición

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  Steel. Los aceros son aleaciones hierro-carbono que pueden contener concentraciones apreciables de otros elementos de aleación., La adición de una pequeña cantidad de carbono no metálico al hierro Cambia su gran ductilidad por la mayor resistencia. Debido a su resistencia muy alta, pero aún dureza sustancial, y su capacidad de ser alterado en gran medida por el tratamiento térmico, el acero es una de las aleaciones ferrosas más útiles y comunes en el uso moderno. Hay miles de aleaciones que tienen diferentes composiciones y/o tratamientos térmicos. Las propiedades mecánicas son sensibles al contenido de carbono, que normalmente es inferior al 1,0% en peso., Según la clasificación ot AISI, el acero al carbono se divide en cuatro clases basadas en el contenido de carbono:

  • aceros con bajo contenido de carbono. El acero de bajo carbono, también conocido como acero dulce es ahora la forma más común de acero porque su precio es relativamente bajo, mientras que proporciona propiedades materiales que son aceptables para muchas aplicaciones. El acero con bajo contenido de carbono contiene aproximadamente 0.05-0.25% de carbono, lo que lo hace maleable y dúctil. El acero dulce tiene una resistencia a la tracción relativamente baja, pero es barato y fácil de formar; la dureza de la superficie se puede aumentar mediante la carburación.
  • Aceros de carbono Medio., El acero de carbono medio tiene aproximadamente 0.3-0.6% de contenido de carbono. Equilibra la ductilidad y la resistencia y tiene buena resistencia al desgaste. Este grado de acero se utiliza principalmente en la producción de componentes de máquinas, ejes, ejes, engranajes, cigüeñales, acoplamientos y forjados, y también podría usarse en rieles y ruedas de ferrocarril.
  • aceros con alto contenido de carbono. El acero de alto carbono tiene aproximadamente 0,60 a 1,00% de contenido de carbono. La dureza es más alta que los otros grados, pero la ductilidad disminuye. Los aceros con alto contenido de carbono se pueden usar para resortes, cables de cuerda, martillos, destornilladores y llaves.,
  • Aceros de ultra alto carbono. El acero de ultra alto carbono tiene aproximadamente 1.25-2.0% de contenido de carbono. Aceros que pueden ser templados a gran dureza. Este grado de acero podría usarse para productos de acero duro, como resortes de camiones, herramientas de corte de metal y otros fines especiales como cuchillos, ejes o punzones (no industriales). La mayoría de los aceros con más del 2,5% de contenido de carbono se fabrican utilizando metalurgia de polvos.
• aceros aleados., El acero es una aleación de hierro y carbono, pero el término acero de aleación generalmente solo se refiere a los aceros que contienen otros elementos, como vanadio, molibdeno o cobalto, en cantidades suficientes para alterar las propiedades del acero base. En general, el acero de aleación es acero que se alea con una variedad de elementos en cantidades totales entre 1.0% y 50% en peso para mejorar sus propiedades mecánicas. Los aceros aleados se dividen en dos grupos:
  • Aceros de baja aleación.
  • Aceros de alta aleación.
• de Acero Inoxidable., Los aceros inoxidables se definen como aceros con bajo contenido de carbono con al menos 10% de cromo con o sin otros elementos de aleación. La fuerza y la resistencia a la corrosión a menudo lo convierten en el material de elección en equipos de transporte y Procesamiento, Piezas de motores y armas de fuego. El cromo aumenta la dureza, la resistencia y la resistencia a la corrosión. El níquel ofrece beneficios similares, pero añade dureza sin sacrificar la ductilidad y la tenacidad. También reduce la expansión térmica para una mejor estabilidad dimensional.,

aleaciones de titanio

el titanio puro es más fuerte que los aceros comunes con bajo contenido de carbono, pero un 45% más ligero. También es dos veces más fuerte que las aleaciones de aluminio débiles, pero solo un 60% más pesado. Las dos propiedades más útiles del metal son la resistencia a la corrosión y la relación resistencia-densidad, la más alta de cualquier elemento metálico. La resistencia a la corrosión de las aleaciones de titanio a temperaturas normales es inusualmente alta. La resistencia a la corrosión del titanio se basa en la formación de una capa de óxido estable y protectora., Aunque el titanio «comercialmente puro» tiene propiedades mecánicas aceptables y se ha utilizado para implantes ortopédicos y dentales, para la mayoría de las aplicaciones el titanio se alea con pequeñas cantidades de aluminio y vanadio, típicamente 6% y 4% respectivamente, en peso. Esta mezcla tiene una solubilidad sólida que varía drásticamente con la temperatura, lo que le permite experimentar el fortalecimiento de la precipitación.

Las aleaciones de titanio son metales que contienen una mezcla de titanio y otros elementos químicos. Tales aleaciones tienen muy alta resistencia a la tracción y tenacidad (incluso a temperaturas extremas)., Son livianos, tienen una extraordinaria resistencia a la corrosión y la capacidad de soportar temperaturas extremas.

Grado 2

El titanio comercialmente puro grado 2 es muy similar al grado 1, pero tiene una mayor resistencia que el grado 1 y excelentes propiedades de conformado en frío. Proporciona excelentes propiedades de soldadura y tiene una excelente resistencia a la oxidación y la corrosión. Este grado de titanio es el grado más común de la industria del titanio comercialmente puro., Es la opción principal para muchos campos de aplicaciones:

• aeroespacial,
• automotriz,
• procesamiento químico & fabricación de clorato,
• desalinización
• generación de energía

Grado 5 – Ti-6Al-4V

El Grado 5 es la aleación es una aleación alfa + beta. La aleación del grado 5 representa el 50% del uso total del titanio en todo el mundo. Tiene una composición química de 6% de aluminio, 4% de vanadio, 0.25% (máximo) de hierro, 0.2% (máximo) de oxígeno y el resto de titanio., En general, Ti-6Al-4V se utiliza en aplicaciones de hasta 400 grados Celsius. Tiene una densidad de aproximadamente 4420 kg / m3. Es significativamente más fuerte que el titanio comercialmente puro (grados 1-4) debido a su posibilidad de ser tratado térmicamente., Este grado es una excelente combinación de resistencia, resistencia a la corrosión, soldadura y fabricabilidad.es la mejor opción para muchos campos de aplicaciones:

• turbinas de aviones
• Componentes del motor
• Componentes estructurales de aviones
• sujetadores aeroespaciales
• piezas automáticas de alto rendimiento
• aplicaciones marinas

aplicación de aleaciones de titanio: usos

las dos propiedades más útiles del metal son y la relación resistencia-densidad, la más alta de cualquier elemento metálico., La resistencia a la corrosión de las aleaciones de titanio a temperaturas normales es inusualmente alta. Estas propiedades determinan la aplicación del titanio y sus aleaciones. La primera aplicación de producción de titanio fue en 1952, para las góndolas y firewalls del Douglas DC-7 airliner. La alta resistencia específica, la buena resistencia a la fatiga y la vida útil de la fluencia, y la buena tenacidad a la fractura son características que hacen del titanio un metal preferido para aplicaciones aeroespaciales., Las aplicaciones aeroespaciales, incluido el uso tanto en componentes estructurales (fuselaje) como en motores a reacción, siguen representando la mayor parte del uso de aleaciones de titanio. En el avión supersónico SR-71, se utilizó titanio para el 85% de la estructura. Debido a la inercia muy alta, el titanio tiene muchas aplicaciones biomédicas, que se basa en su inercia en el cuerpo humano, es decir, la resistencia a la corrosión por los fluidos corporales.,

Propiedades del acero vs titanio

Las propiedades del Material son propiedades intensivas, lo que significa que son independientes de la cantidad de masa y pueden variar de un lugar a otro dentro del sistema en cualquier momento. La base de la ciencia de los materiales consiste en estudiar la estructura de los materiales y relacionarlos con sus propiedades (mecánicas, eléctricas, etc.).). Una vez que un científico de materiales conoce esta correlación estructura-propiedad, puede estudiar el rendimiento relativo de un material en una aplicación dada., Los principales determinantes de la estructura de un material y, por lo tanto, de sus propiedades son sus elementos químicos constitutivos y la forma en que se ha procesado hasta su forma final.

la densidad del acero vs titanio

La densidad del acero típico es de 8.05 g / cm3.

La densidad de la aleación de titanio típica es 4.43 g / cm3 (Ti-6Al-4V).

La densidad se define como la masa por unidad de volumen., Es una propiedad intensiva, que se define matemáticamente como masa dividida por volumen:

ρ = m/v

En palabras, la densidad (ρ) de una sustancia es la masa total (m) de esa sustancia dividida por el volumen total (V) ocupado por esa sustancia. La unidad estándar SI es kilogramos por metro cúbico (kg/m3). La unidad estándar en inglés es libras de masa por pie cúbico (lbm/ft3).,

dado que la densidad (ρ) de una sustancia es la masa total (m) de esa sustancia dividida por el volumen total (V) ocupado por esa sustancia, es obvio que la densidad de una sustancia depende fuertemente de su masa atómica y también de la densidad del número atómico (n; átomos/cm3),

• peso atómico. La masa atómica es transportada por el núcleo atómico, que ocupa solo alrededor de 10-12 del volumen total del átomo o menos, pero contiene toda la carga positiva y al menos el 99,95% de la masa total del átomo. Por lo tanto, se determina por el número de masa (número de protones y neutrones).,
• densidad del número atómico. La densidad del número atómico (n; átomos/cm3), que está asociada con los radios atómicos, es el número de átomos de un tipo dado por unidad de volumen (V; cm3) del material. La densidad del número atómico (n; átomos/cm3) de un material puro con peso atómico o molecular (m; gramos/mol) y la densidad del material ( ⍴ ; gramo/cm3) se calcula fácilmente a partir de la siguiente ecuación utilizando el número de Avogadro (NA = 6.022×1023 átomos o moléculas por mol):
• Estructura cristalina., La densidad de la sustancia cristalina se ve afectada significativamente por su estructura cristalina. La estructura FCC, junto con su relativo hexagonal (hcp), tiene el factor de empaque más eficiente (74%). Los metales que contienen estructuras FCC incluyen austenita, aluminio, cobre, plomo, plata, oro, níquel, platino y torio.

las propiedades mecánicas del acero vs titanio

Los materiales se eligen con frecuencia para diversas aplicaciones porque tienen combinaciones deseables de características mecánicas., Para las aplicaciones estructurales, las propiedades de los materiales son cruciales y los ingenieros deben tenerlas en cuenta.

resistencia del acero vs titanio

en mecánica de materiales, la resistencia de un material es su capacidad para soportar una carga aplicada sin falla o deformación plástica. La resistencia de los materiales básicamente considera la relación entre las cargas externas aplicadas a un material y la deformación resultante o el cambio en las dimensiones del material. La resistencia de un material es su capacidad para soportar esta carga aplicada sin falla o deformación plástica.,

última resistencia a la tracción

La última resistencia a la tracción del acero con bajo contenido de carbono está entre 400-550 MPa.

La última resistencia a la tracción del acero ultra-alto-carbono es 1100 MPa.

La última resistencia a la tracción de la aleación de titanio Ti-6Al-4V – Grado 5 es de aproximadamente 1170 MPa.

la máxima resistencia a la tracción es la máxima en la curva de tensión-deformación de ingeniería. Esto corresponde a la tensión máxima que puede soportar una estructura en tensión. Resistencia a la tracción es a menudo abreviado como «resistencia» o incluso «al final.,»Si se aplica y mantiene esta tensión, se producirá una fractura. A menudo, este valor es significativamente mayor que la tensión de fluencia (tanto como 50 a 60 por ciento más que el rendimiento para algunos tipos de metales). Cuando un material dúctil alcanza su máxima resistencia, experimenta cuellos donde el área de la sección transversal se reduce localmente. La curva tensión-deformación no contiene tensión más alta que la fuerza máxima. A pesar de que las deformaciones pueden continuar aumentando, el estrés generalmente disminuye después de que se ha logrado la fuerza final., Es una propiedad intensiva; por lo tanto, su valor no depende del tamaño de la muestra de prueba. Sin embargo, depende de otros factores, como la preparación de la muestra, la presencia o no de defectos superficiales y la temperatura del entorno y el material de prueba. La resistencia a la tracción final varía de 50 MPa para un aluminio hasta 3000 MPa para aceros de muy alta resistencia.

fuerza de producción

La fuerza de producción del acero con poco carbono es 250 MPa.

La fuerza de producción del acero ultra-alto-carbono es 800 MPa.,

La fuerza de producción de la aleación titanium del Ti-6Al-4V – Grado 5 es cerca de 1100 MPa.

el punto de fluencia es el punto en una curva de esfuerzo-deformación que indica el límite del comportamiento elástico y el comportamiento plástico inicial. El límite elástico o tensión de fluencia es la propiedad del material definida como la tensión en la que un material comienza a deformarse plásticamente, mientras que el punto de fluencia es el punto donde comienza la deformación no lineal (elástica + plástica). Antes del punto de fluencia, el material se deformará elásticamente y volverá a su forma original cuando se elimine la tensión aplicada., Una vez que se pasa el punto de fluencia, una fracción de la deformación será permanente e irreversible. Algunos aceros y otros materiales exhiben un comportamiento denominado fenómeno del punto de fluencia. Las resistencias de fluencia varían de 35 MPa para un aluminio de baja resistencia a más de 1400 MPa para aceros de muy alta resistencia.

Módulo de elasticidad de Young

El módulo de elasticidad de Young de acero de bajo carbono es de 200 GPa.

El módulo de elasticidad de Young de la aleación de titanio Ti-6Al-4V – Grado 5 es de aproximadamente 114 GPa.,

el módulo de elasticidad de Young es el módulo elástico para esfuerzos de tracción y compresión en el régimen de elasticidad lineal de una deformación uniaxial y generalmente se evalúa mediante ensayos de tracción. Hasta un esfuerzo limitante, un cuerpo podrá recuperar sus dimensiones al eliminar la carga. Las tensiones aplicadas hacen que los átomos en un cristal se muevan de su posición de equilibrio. Todos los átomos están desplazados en la misma cantidad y aún mantienen su geometría relativa. Cuando se eliminan las tensiones, todos los átomos vuelven a sus posiciones originales y no se produce ninguna deformación permanente., De acuerdo con la Ley de Hooke, la tensión es proporcional a la tensión (en la región elástica), y la pendiente es el módulo de Young. El módulo de Young es igual a la tensión longitudinal dividida por la tensión.

dureza del acero vs titanio

La dureza Brinell del acero con bajo contenido de carbono es de aproximadamente 120 MPa.

la dureza Brinell del acero de alto carbono es aproximadamente 200 MPa.

La dureza Rockwell de la aleación de titanio Ti-6Al-4V – Grado 5 es de aproximadamente 41 HRC.,

la prueba de dureza Rockwell es una de las pruebas de dureza de indentación más comunes, que se ha desarrollado para pruebas de dureza. En contraste con la prueba Brinell, el probador Rockwell mide la profundidad de penetración de un indentador bajo una carga grande (carga mayor) en comparación con la penetración realizada por una precarga (carga menor). La carga menor establece la posición cero. Se aplica la carga mayor, luego se elimina mientras se mantiene la carga menor., La diferencia entre la profundidad de penetración antes y después de la aplicación de la carga mayor se utiliza para calcular el número de dureza Rockwell. Es decir, la profundidad de penetración y la dureza son inversamente proporcionales. La principal ventaja de la dureza Rockwell es su capacidad para mostrar valores de dureza directamente. El resultado es un número adimensional señalado como HRA, HRB, HRC, etc., donde la última letra es la respectiva escala de Rockwell.

La prueba Rockwell C se realiza con un penetrador Brale (cono de diamante de 120°) y una carga mayor de 150kg.,

propiedades térmicas del acero vs titanio

Las propiedades térmicas de los materiales se refieren a la respuesta de los materiales a los cambios en su temperatura y a la aplicación de calor. A medida que un sólido absorbe energía en forma de calor, su temperatura aumenta y sus dimensiones aumentan. Pero diferentes materiales reaccionan a la aplicación de calor de manera diferente.

La capacidad de calor, la expansión térmica y la conductividad térmica son propiedades que a menudo son críticas en el uso práctico de sólidos.

punto de fusión del acero vs titanio

El punto de fusión del acero con bajo contenido de carbono es de alrededor de 1450°C.,

el punto de fusión de la aleación de titanio Ti-6Al-4V – Grado 5 es de alrededor de 1660°C.

en general, la fusión es un cambio de fase de una sustancia de la fase sólida a la fase líquida. El punto de fusión de una sustancia es la temperatura a la que se produce este cambio de fase. El punto de fusión también define una condición en la que el sólido y el líquido pueden existir en equilibrio.

conductividad térmica del acero vs titanio

la conductividad térmica del acero típico es de 20 W / (m.K).

la conductividad térmica de la aleación de titanio Ti-6Al-4V – Grado 5 es 6.7 W / (m.K).,

las características de transferencia de calor de un material sólido se miden por una propiedad llamada conductividad térmica, k (o λ), medida en W/m.K. es una medida de la capacidad de una sustancia para transferir calor a través de un material por conducción. Tenga en cuenta que la Ley de Fourier se aplica a toda la materia, independientemente de su estado (sólido, líquido o gas), por lo tanto, también se define para líquidos y gases.

la conductividad térmica de la mayoría de los líquidos y sólidos varía con la temperatura. Para los vapores, también depende de la presión., En general:

La mayoría de los materiales son casi homogéneos, por lo que generalmente podemos escribir k = K (T). Definiciones similares están asociadas con conductividades térmicas en las direcciones y Y z (ky, kz), pero para un material isotrópico la conductividad térmica es independiente de la dirección de transferencia, KX = ky = kz = k.