5. ACEROS INOXIDABLES Hay una gran variedad de aceros inoxidables, pero todos tienen como característica común el tener más de un 11,5% de Cromo, (Cr).

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1 5. ACEROS INOXIDABLES Hay una gran variedad de aceros inoxidables, pero todos tienen como característica común el tener más de un 11,5% de Cromo, (Cr). Los aceros inoxidables se usan por su resistencia a la corrosión, su resistencia a la oxidación y su aspecto agradable. Hay 5 grupos de aceros inoxidables, trataremos sólo los tres primeros: 1. Ferríticos : 12 a 30 % Cr y bajo C. 2.- Martensíticos: 12 a 17 % Cr, 0.1 a 1 % C. 3.- Austeníticos : 17 a 25 % Cr y 8 a 20 % Ni. 4. Aleaciones Duplex : 23 a 30 % Cr, 2.5 a 7 % Ni, adiciones de Ti y Mo. 5.- Aleaciones endurecibles por precipitación, pueden tener base austenita o martensita, con adiciones de Cu, Ti, Al, Mo, Nb ó N.

2 5.1 Diagrama de fases 5.1.1Diagrama Fe-Cr
La Metalurgia Física de los aceros inoxidables se puede analizar mejor a partir de los diagramas de fases binarios: Fe-Ni, Fe-Cr, Cr-Ni y del diagrama ternario: Fe-Cr-Ni. El Cr estabiliza la ferrita y expande su campo, reduciendo el campo de austenita (FCC) a un pequeño loop, ver Figura Por otra parte la adición de C ó N, los que son estabilizadores de la austenita, expanden el loop de ésta y, por consiguiente, aumentan fuertemente la solubilidad del Cr en la austenita, Figura 5.1-2, y Los diversos tipos de carburos que precipitan se denominan: kc = (Cr,Fe)3 C k1 = (Cr,Fe)23 C6 k2 = (Cr,Fe)7 C3

3 Figura 5.1-1. Diagrama de fases Fe-Cr.

4 Diagramas Fe – Cr - C Figura Variación del loop de la austenita con el porcentaje de C: 0,20%C. Figura Variación del loop de la austenita con el porcentaje de C: 0,10%C. Figura Variación del loop de la austenita con el porcentaje de C: 0,05%C.

5 Diagramas Fe – Cr - C Se debe notar que en estos diagramas de fases Fe-Cr-C, hay regiones de tres fases, por ejemplo:  +  + k1, esto es posible dado que el diagrama es ternario, así aplicando la regla de las fases de Gibbs tenemos: L = C  , para C = 3 se tiene: L = 4 - Por lo tanto, las tres fases pueden coexistir a diferentes temperaturas, en contraste con los diagramas binarios en los cuales tres fases distintas pueden coexistir, pero a una temperatura fija. El diagrama de fases de la Figura 5.1-1, presenta en su región inferior una zona donde se pueden distinguir tres nuevas fases, estas son ,  y `. La fase , FeCr, posee una estructura tetragonal con 30 átomos por celda unitaria, esta fase se forma muy lentamente entre los 800ºC y los 600ºC, tiene un rango de composición entre 46 y 53% de Cr. Además, a temperaturas por debajo de los 520ºC las fase  se descompone en  + ´, mediante una transformación eutectoide bastante lenta.

6 5.1.2 Diagrama Fe-Ni A temperaturas superiores a 450 °C este diagrama, ver Figura 5.1-5, está hoy generalmente aceptado, pero a temperaturas menores tiene muchos datos discutibles. La solubilidad máxima del Ni en Fe() alcanza un máximo entre 450 y 550 °C, Figuras (a) y (b). Es importante destacar el hecho que el Ni extiende el campo de la fase austenítica, así por ejemplo a 30% Ni el campo de austenita va de 500 a 1450 °C. Cuando se enfría este acero desde el campo austenítico, la transformación    es muy lenta, por lo tanto, se puede obtener austenita con un alto grado de sobreenfriamiento lo que proporciona la fuerza impulsora para la transformación martensítica. La temperatura Ms baja fuertemente con el % de Ni: %Ni Ms (ºC)

7 5.1.2 Diagrama Fe-Ni Figura (a) Diagrama de fases fierro-niquel; (b) Ampliación del lado rico en fierro.

8 5.1.3Diagrama Cr-Ni El diagrama Cr-Ni se muestra en la Figura En lo que respecta a los aceros inoxidables, una de las características más destacables es el gran campo de fase ., así por ejemplo, se puede disolver hasta 50 % de Cr en Ni (FCC) a 1350°C. A temperaturas menores de 500°C los diagramas binarios presentan incertidumbres, que ciertamente se trasladaban al diagrama ternario Fe-Cr-Ni. Figura Diagrama de fases Ni-Cr.

9 Diagrama ternario Fe – Cr - Ni
En la Figura se muestra un corte horizontal de un típico diagrama ternario a 650°C. Los porcentajes (%) de cada elemento se representan en las aristas del triángulo exterior, correspondiendo el 100% de cada elemento a cada uno de los vértices. Fracciones intermedias de un elemento se leen según líneas paralelas a la arista opuesta al vértice del respectivo elemento. Se debe notar que los bordes entre regiones de diferentes fases son superficies, por tanto la isoterma a 650°C indica los cortes de este plano horizontal a dichas superficies. La temperatura se gráfica en un eje perpendicular al papel. A la vez, es útil la información que se desprende de cortes verticales, paralelos a una de las aristas, de estos diagramas. Estos cortes indican las fases presentes a diferentes temperaturas para un porcentaje, (%), fijo de uno de los elementos. Diagrama ternario Fe – Cr - Ni Figura Sección del Diagrama Fe-Cr-Ni, correspondiente a la isoterma a 650ºC.

10 Cortes verticales para diferentes % de Cromo
Figura Secciones verticales del diagrama Fe-Cr-Ni, para diferentes porcentajes fijos de Cr.

11 5.2 Aceros Inoxidable Ferríticos (serie 4XX)
COMPOSICIONES TÍPICAS Nombre % Cr %C %Mo %Al Casi la mitad de este tipo de acero es producido en planchas, las que se terminan con laminados en frío. Se utiliza en utensilios de cocina, partes ornamentales para autos, etc. Son atractivos porque proporcionan buena resistencia a la corrosión líquida y a la oxidación a alta temperatura y son más baratos que los austeníticos, además de poseer buena resistencia a la corrosión tipo pitting y a la corrosión bajo tensión. Sin embargo tienen varias limitaciones: Su formabilidad en estirado es pobre, tienen bajo coeficiente de acritud "n" y moderada deformación uniforme. Igual como los aceros al carbono, tienen una fuerte baja de la resistencia al impacto (ensayo Charpy) al disminuir la temperatura, La temperatura de transición dúctil-frágil disminuye fuertemente al disminuir el % de C, lo cual es conveniente. Es sensible a las entalladuras.

12 5.2 Aceros Inoxidable Ferríticos (serie 4XX)
Normalmente se usan recocidos, en este estado sus propiedades son Tensión fluencia: Ksi Mpa Tensión máxima: Ksi Mpa % de Elongación: % Este acero recocido consiste en matriz de ferrita con partículas de carburo dispersas, (Figuras y 5.2.1) Figura Acero inoxidable 430 (ferrítico), recocido a 788ºC. Estructura: matriz ferrítica con granos equiaxiales y partículas de carburo dispersadas. Figura Acero inoxidable 446 (ferrítico), recocido a 802ºC. Estructura: matriz ferrítica con granos equiaxiales y partículas de carburo dispersadas.

13 5.2 Aceros Inoxidable Ferríticos (serie 4XX) 5.2.1Fragilización
Esta se puede producir por tres causas: 1.- Formación de fase ': Si se calienta entre 400 y 540°C por largos períodos de tiempo, precipitan partículas de fase ', rica en Cr, (90%), en torno a dislocaciones, esto endurece el acero pero baja su ductilidad y resistencia al impacto. 2.- Formación de Fase : Cuando aceros inoxidables Fe-Cr con contenido de Cr entre 15% y 70%, se calientan por largos períodos de tiempo entre 500 y 800°C precipita la fase . Para altos contenidos de Cr se forma también la fase ’. Tanto la precipitación de fase  como de ’ son lentas, éstas no ocurren en el curso de un proceso de soldadura o durante tratamientos térmicos normales, sino en permanencias prolongadas a las temperaturas señaladas. El tiempo para iniciar la formación de la fase , a 600°C, varía con el % de Cr: 24 % Cr: 800 min 31 % Cr: 100 min 33 % Cr: 40 min

14 5.2 Aceros Inoxidable Ferríticos (serie 4XX) 5.2.1Fragilización
3.- Precipitación de Carburos y nitruros de Cr y Fe en procesos de soldadura: Al calentar sobre 900°C y luego enfriar a temperatura ambiente un acero inoxidable comercial que contiene C y N, en la zona térmicamente afectada en un proceso de soldadura, se produce una severa fragilización y pérdida de resistencia a la corrosión, causada por la precipitación de carburos y nitruros ricos en Cr en los bordes de grano, como por ejemplo (Cr,Fe)7C3 y/o (Cr,Fe)23C6. Estos carburos y nitruros disminuyen fuertemente el contenido de Cr en las regiones vecinas a los bordes de granos, quedando estas regiones desprotegidas respecto de la corrosión. Este problema se puede resolver: - bajando los contenidos de C y N a niveles de 0,002 %C y 0,0095 %N, .- agregando Ti o Nb, los que son fuertes formadores de carburos y evitan la formación de carburos de Cr, previniendo así las zonas desprotegidas. La resistencia a la corrosión aumenta con un mayor contenido de Cr de 16 a 28%, por otra parte la adición de un 2% de Mo mejora la resistencia a la corrosión por pitting, lo que es muy deseable ya que este tipo de corrosión es muy dañina, atacando localmente y en forma rápida.

15 Aceros Inoxidables Martensíticos
Estos aceros difieren de los ferríticos en su mayor contenido de C (0,12 a 1,2%) y su contenido de Cr fluctúa entre un 12% y un 17%. La relación entre C y Cr debe ser tal que puedan ser austenitizados, es decir, que al ser calentados se caiga dentro del loop de austenita. Para esto se debe cumplir la siguiente relación : El loop de austenita y su variación con el C se puede observar en la Figura Estos aceros pueden ser templados y revenidos para lograr tensiones de fluencia en el rango de 550 a 1860 MPa. El contenido de Cr les da gran templabilidad (Figura 5.3.1), esto permite que puedan ser templados al aire, aún en secciones grandes Figura Diagrama de transformación isotérmica de un acero inoxidable martensítico 410.

16 Fragilidad del revenido en aceros martensíticos.
El más usado de los aceros inoxidables martensíticos es el 410, (su composición típica es: 11.5 a 13.5 %Cr y 0.15 %C como máximo). Las curvas TTT para transformaciones isotérmicas se muestran en la Figura El revenido debe evitar el rango de temperatura entre 440 y 540°C, esto porque se produce una fuerte reducción de la resistencia al impacto; la que coincide con un endurecimiento secundario y una baja de la ductilidad. Esta fragilidad se atribuye a la morfología del carburo que se forma.

17 Efecto del tratamiento térmico en la microestructura de aceros martensíticos
Figura Microestructura de un acero inoxidable 410 recocido. Consiste en una matriz de granos de ferrita equiaxial con partículas de carburos dispersos, Figura Microestructura de un acero inoxidable 410 templado al aire y revenido. La estructura de esta aleación consiste en martensita con alguna precipitación de partículas de carburo, Figura Microestructura de acero inoxidable 440 C templado al aire. La microestructura de la aleación 440C templada al aire presenta endurecimiento debido a precipitación de carburos gruesos (Fe, Cr) en una matriz martensítica.

18 5.4 ACEROS INOXIDABLES AUSTENíTICOS
Los aceros inoxidables austeníticos son esencialmente aleaciones ternarias de Fe, Cr y Ni, que contienen de un 16 hasta un 25% de Cr y de un 7 a un 20% de Ni, estas aleaciones son llamadas austeníticas debido a que su estructura permanece austenítica, (FCC, Fe-) a temperatura ambiente. La mayor parte de estos aceros contiene de un 0,06 a 0,1 % de C. Cabe señalar que algo del Ni de esta aleación puede ser reemplazado por Mn sin alterar la estructura austenítica del acero. Típicos Aceros Inoxidables Austeníticos Tipo % Cr %Ni %C %Mn % Mo 304L 316L

19 5.4 ACEROS INOXIDABLES AUSTENíTICOS
Poseen una estructura austenítica a temperatura ambiente, esto es debido al efecto estabilizador de la austenita que tiene el Ni, además de bajar la temperatura Ms. Debido a su estructura FCC no son magnéticos y poseen alta resistencia al impacto a bajas temperaturas, no tienen transición dúctil - frágil. Por ser de una sola fase son fácilmente soldables. En estado recocido su tensión de fluencia es baja y tienen alta tasa de endurecimiento por trabajo en frío. Sus desventajas son su alto costo y su susceptibilidad a la corrosión bajo tensión. El acero 301, (17%Cr, 8%Ni), puede ser fuertemente endurecido mediante deformación en frío, su tensión de fluencia y su tensión máxima aumentan mucho con el porcentaje de deformación en frío, ver Figura Por lo tanto, tiene un alto coeficiente de endurecimiento por deformación (n). La ductilidad es muy alta, 70% de elongación. Este acero tiene una estructura austenítica inestable a temperatura ambiente, con el incremento de la deformación en frío se forma una fracción creciente de martensita, la que colabora al fuerte endurecimiento. En el caso del acero 304, (19 %Cr, 9 %Ni), la tendencia a la formación de martensita por deformación en frío es menor que en acero anterior, por tanto el endurecimiento, siendo importante, es menor que en el caso del 301, ver Figura

20 Propiedades mecánicas de aceros inoxidables austeníticos
Figura Efectos del trabajo en frío en las propiedades mecánicas del acero inox austenítico 301. Figura Efectos del trabajo en frío en las propiedades mecánicas del acero inoxidable austenítico 304 .

21 Resistencia a la corrosión de aceros inoxidables austeníticos
Estos aceros tienen la mejor resistencia a la corrosión, a medida que el ambiente es más corrosivo. Para mejorar su resistencia a la corosión, se utilizan aceros inoxidables con mayores cantidades de elementos de aleación, como es el caso del AISI 304. La adición de 2% de Mo en acero AISI 316 aumenta su resistencia a la corrosión por pitting,. En la Figura se puede observar que un acero de 18%Cr y 8%Ni cuando se enfría lentamente desde 1050°C, en un rango de 850°C y 400°C sufre abundante precipitación de carburos de Cr en los bordes de granos. El Cr a estas temperaturas tiene baja velocidad de difusión; por tanto la región vecina a los bordes de grano se vacía de Cr y queda sensible a la corrosión intergranular. El tratamiento térmico correcto es recocer entre 1120 y 1050°C para disolver todos los carburos y luego enfriar rápido, (al aire o al agua), para evitar la precipitación de carburos. Sin embargo, si este acero se calienta nuevamente a 600°C durante dos horas por ejemplo, se produce una precipitación continua de carburos en los bordes de grano, lo que es muy perjudicial. Para solucionar el problema de la precipitación de carburos de Cr hay dos soluciones posibles : Rebajar el % de C, por ejemplo al orden de 0,03%, estos son los aceros L. Adicionar agentes formadores de carburos: Ti 5 veces el % de C o Columbio (Niobio) 10 veces el % de C.

22 Resistencia a la corrosión de aceros inoxidables austeníticos Y precipitación de carburos que rebajan en contenido de cromo en su vecindad Figura Efecto del carbono en aceros inoxidables : Fe- 18% Cr- 8% Ni.

23 Corrosión bajo tensión en aceros inoxidables austeníticos
Otro problema que debe tenerse presente con los aceros austeníticos es su baja resistencia a la corrosión bajo tensión, Figura 5.4-4, en ambientes con iones cloruro, aún en la presencia de trazas de iones cloruros. Las tensiones residuales existentes en el material promueven la corrosión bajo tensión. Este efecto es localizado y opera en ausencia de corrosión generalizada, la fractura ocurre en forma transgranular con escasa o nula deformación plástica y a menudo con efectos catastróficos. Este tipo de fractura ocurre en los aceros que contienen Ni, y con el mayor riesgo en aceros con los porcentajes usuales de Ni. Los remedios no son simples, porque consisten en reducir tensiones y eliminar iones cloruro. Figura Corrosión bajo tensión en acero inoxidable austenítico.