UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS

FACULTAD DE INGENIERIA GEOLOGA, MINAS, METALURGIA Y CIENCIAS GEOGRFICAS

DEPARTAMENTO ACADMICO DE INGENIERA METALRGICA

PROYECTO: Investigacion metalografica de Aceros Hadfield y efectos del manganeso en el acero para un generacin de modelo de fabricacin.

AUTOR: JOSE CARLOS ORE CASIAS

ASESOR:JORGE LUIS ZEGARRA PUMACAYO

CIUDAD UNIVERSITARIA DE LA UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN MARCOS

I. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMAEste tema est dentro del campo de la metalurgia fsica y se refiere a una investigacin bibliogrfica sobre el manganeso y su importante efecto sobre los aceros a diferentes composiciones, tambin se ha realizado un estudio del hidrogeno, su influencia en los aceros al Manganeso y aceros Hadfield, donde se muestran datos experimentales que realizaron varios metalurgistas. Por otra parte hemos realizado un estudio terico de la influencia del Manganeso sobre mecanismo de resistencia mecnica, como son los procesos de endurecimiento: por solucin solida, por deformacin de precipitacin, por precipitacin, as como el lmite de grano, anelasticidad, formas de fractura, fatiga y soldabilidad. Y finalmente un estudio terico y de investigacin en el laboratorio de aceros Hadfield.Los aceros austenticos al manganeso presentan ciertas propiedades que tienden a restringir su uso, por ejemplo, son difciles de maquinar y usualmente tienen esfuerzos de fluencia de 345 a 415 MPa (50 a 60 Ksi). Consecuentemente no son aptos para partes que requieren alta precisin durante el maquinado o que deben resistir deformacin plstica cuando son sometidos a altos esfuerzos durante el servicio.

Los aceros al manganeso han llamado la atencin desde tiempos antiguos, no obstante solo un adecuado proceso llevara a la obtencin de estos aceros en una calidad estndar.Para enfocar claramente este estudio, todos los exmenes de probeta se hicieron a 100 ampliaciones (100X) para evitar posibles confusiones al momento de analizar las microestructuras.Para este estudio metalogrfico hemos utilizado probetas de colada del acero al Manganeso Hadfield en forma de pastillas, obtenidas como muestras antes de cada colada de estos aceros en los hornos de la Fundicin Callao, las que luego de realizar un maquinado para uniformar medidas, fueron preparadas luego de diferentes desgaste hasta llegar a un pulido ideal, donde fueron atacadas con diferentes soluciones qumicas, para revelar su microestructura al microscopio todo esto realizados en los laboratorios del Servicio Industrial de la Marina (SIMA). Se tomaron fotografas de cada una de las muestras de colada, como tambin de las que fueron llevadas a tratamiento trmico a dos diferentes temperaturas arriba del punto de transformacin Ac1, y enfriadas en agua y aire, de las que tambin fueron deformadas , as como de las que fueron revenidas.

MANGANESO1.1.- EL ROL DEL CARBONO EN EL ACERO.Cada vez que estudiamos un acero es de vital importancia conocer el rol que desempea el carbono, ya que influye en las propiedades mecnicas, trmicas y elctricas segn vare su composicin.El diagrama Fe-C que es muy conocido entre nosotros los metalurgistas; es de mucha utilidad en todos los tipos de aceros, lo veremos brevemente Fig. 1. Aqu apreciamos claramente las variaciones alotrpicas del fierro puro, abajo de los 723C se presenta la fase alfa (Fe a), arriba de esta temperatura encontramos la fase gamma que se extiende hasta los 1400C donde empieza una nueva fase llamada delta y termina a 1539C, temperatura a la que se lica el fierro.Las aleaciones Fe-C se dividen en tres categoras: Fierros aceros y fundiciones. Los Hierros son aquellos de mnimo contenido de Carbono y su efecto sobre las propiedades ordinarias es despreciable. Observando el diagrama localizamos el rea de los aceros, que se encuentran usualmente en el intervalo de 0.1% a 1.5% de Carbono, con un valor mximo dei 2%, donde se encuentra el punto eutectoide a 0.77% de C y a 723C, en esta misma zona subiendo hasta la temperatura de 1492C encontramos un punto peritctico.Hacia la derecha tenemos la zona de las fundiciones donde apreciamos un punto eutctico a 4.3% de C y a 1130C; en la prctica el porcentaje de carbono vara entre 2 y 4.5 % de Carbono; aunque para nuestro estudio slo es de importancia la zona de los aceros.Al estudiar la zona de los aceros, encontraremos que al enfriar lentamente desde arriba de la temperatura eutectoide donde la nica microestructura es el fierro gamma (Fe 5), debajo del punto eutectoide se forma una estructura perltica (ferrita + cementita); a la izquierda de sta lnea se forman los aceros proeutectoides (ferrita + perlita) y a la derecha se producen los aceros hipereutectoides (cementita + perlita).

II.ANTECEDENTES.

Dentro del panorama general de desarrollo tecnolgico moderno no es posible descuidar la evolucin que se ha desarrollado en el terreno de los materiales resistentes a la abrasin y al impacto, la exigencia a este tipo de aleaciones especiales ha sido motivado por la actividad minera metalrgica donde la extraccin de los minerales de baja ley se ha incrementado notablemente durante los ltimos aosDurante los aos de 1878 Robert Abbott Hadfield, un hombre de 19 aos, se dedico al estudio de las aleaciones de hierro con otros elementos e inicio una serie de experimentos que culminaron luego de 4 aos con el descubrimiento del acero aleado de manganesoA lo lardo de los aos intermedios, debido a una u otras de sus extraordinarias propiedades, el acero al manganeso continuo llamando seriamente la atencin de muchos investigadores hasta el punto probablemente inigualado por ningn otro material.Los aceros Hadfield son probablemente los aceros resistentes a la abrasin ms populares. La razn de ello, es el hecho de que despus de un tratamiento trmico adecuado se convierte en un material muy dctil con una elongacin de hasta un 60% mientras que la resistencia al desgaste se obtiene en el mismo proceso de abrasin, por el endurecimiento en servicio de una delgada capa superficial. Debido a esto, estn casi totalmente a prueba de inconvenientes en cuando a fracturas.Sin embargo, en muchos casos de abrasin no es posible obtener un suficiente endurecimiento en servicio y en ese caso se desgastan muy rpidamenteEste acero Hadfield siempre ha sido un material muy requerido para los propsitos ingenieriles en austenitico duro, no magntico y dctilEl presente trabajo proporciona partiendo de un enfoque tcnico y metalrgico el proceso de fabricacin del acero al manganeso y de las transformaciones estructurales, a fin de obtener piezas sin defecto, de calidad adecuada que permitan obtener una alta productividad en su uso.

2.2 - PROPIEDADES DEL MANGANESOEl manganeso es un metal blanco grisceo, que es un elemento de aleacin de mucha importancia en diferentes tipos de aceros, aqu sus propiedades: Nmero Atmico

A. Peso AtmicoB. Estructura cristalinaC. Gravedad EspecficaD. DensidadE. Punto de fusinF. Punto de ebullicinG. Calor especficoH. Coeficiente de expansin lineal (20-100C)I. Calor latente de fusin Calor latente de vaporizacinJ. Absorcin trmica neutrnica a travs de la seccinK. Conductividad elctricaL. Resistencia especfica (resistividad)M. Coeficiente de la T de la resistencia elctricaN. Equivalente electroqumicoO. Potencial de electrodoP. Susceptibilidad magnticaQ. Modulo de Young Resistencia a la tensinR. Dureza

A. Radio Atmico 25B. 54.93C. Cbica-compleja-otras estructs tambin son conocidas 7.44D. 7440 Kg/m3 (0.268lb/pulg3E. 1244CF. 2150CG. 0.448 J/g 1C (0.107cal/g C)H. 22.8x1o-6 pulg/pulg/CI. 271 J/g (64.8 cal/g)J. 4091 J/g (977 cal/g)K. 12.6barns/ tomoL. 5.8% IACS (cobre 100%)M. 80 microhm mmN. 0.0039Ca. g/A/hour-divalent 0.684g/A/hour-tri valent -1.05 vO. 11.8x 10'6P. 159x109 N/ m (lb/pulg2 48 h barQ. 500 diamond numberR. 1.12A0

LOS PROCESOS DE TRANSFORMACION1.3.1.-Transformaciones durante el calentamientoPara estudiar estos procesos, nos auxiliaremos con el diagrama Fe-C (Fig. 1). Durante el calentamiento de un acero hipereutectoide; por ej. con un contenido de 1.4% de C hasta una temperatura un poco superior a 723C , la perlita se transforma en austenita. En el intervalo de temperaturas de A1 a Acm , tiene lugar la disolucin de la cementita excesiva en austenita; por encima de la temperatura Acm, habr solamente austenita cuyo contenido de carbono corresponde al contenido de este en el acero. En el diagrama Fe-C se da una idea de las transformaciones que transcurren en condiciones de calentamiento lento. A velocidades normales de calentamiento las transformaciones ocurren a temperaturas ms altas.La transformacin de perlita en austenita es un proceso de cristalizacin. Este proceso ocurre como resultado de la formacin de ncleos cristalinos de austenita y su ulterior crecimiento. La composicin de la austenita se diferencia considerablemente de la composicin de la ferrita y cementita, de las cuales ella se forma. Por eso, esta transformacin tiene carcter de difusin y va acompaado del desplazamiento de tomos de carbono a distancias considerables.El ncleo cristalino de la austenita surge, en las zonas de separacin de los cristales de ferrita y cementita, donde con ms probabilidades se forman en zonas que contienen 0.8% de C. La cantidad de ncleos cristalinos que surgen a determinada temperatura, es mayor, cuanto ms dispersas estn las partculas de cementita en la perlita.La formacin de austenita transcurre a mxima velocidad, si el acero tiene una estructura perlitica de delgadas lminas, pero si la perlita tiene una forma laminar gruesa, la velocidad de transformacin disminuye; y finalmente !a velocidad de transformacin de la austenita es mnima cuando la cementita tiene forma granular. Esto se explica por el hecho de que con el aumento de dispersidad de carburos crece la superficie de suseparacin con la ferrita y por lo tanto aumenta la velocidad de surgimiento de los granos de austenita y su crecimiento.Para describir el proceso de transicin de la mezcla ferrito- cementita a austenita, generalmente se emplean los diagramas de formacin isotrmica de austenita, que dan una idea, sobre el curso del proceso de transformacin a diferentes temperaturas. Para construir este diagrama las probetas de acero a investigar se calentaban rpidamente hasta una temperatura preestablecida, superior a A1, y se mantienen cierto tiempo a esta temperatura. En el proceso de duracin isotrmica del calentamiento, se fijaban el comienzo y final de la transformacin de la perlita en austenita. Si los puntos obtenidos experimentalmente son llevados al grfico, en las coordenadas temperatura-tiempo, y se unen con curvas suaves, se obtiene un diagrama semejante a la Fig. 2, bajo estos diagramas se dan los esquemas de las microestructuras que muestran las etapas sucesivas de la formacin de granos de austenita en el grano de perlita, Fig. 2a, para la temperatura t.La transformacin de perlita en austenita est dada por las siguientes etapas:1 Ausencia de transformacin (a la izquierda de la lnea de comienzo de formacin de la austenita) durante cierto lapso de tiempo (perodo de incubacin) Fig 2a.2 Formacin de ncleos cristalinos de austenita en la zona de separacin de la ferrita y cementita.3 Crecimiento de los ncleos cristalinos de austenita (a cuenta de la disolucin de ferrita y cementita, Fig.2b. y el surgimiento de nuevos granos finos). Crecimiento de granos de austenita a cuenta de la ferrita, " todava hay cierta cantidad de cementita, Fig. 2c. es mnima cuando la cementita tiene forma granular. Esto se explica por el hecho de que con el aumento de dispersidad de carburos crece la superficie de su separacin con la ferrita y por lo tanto aumenta la velocidad de surgimiento de los granos de austenita y su crecimiento.Para describir el proceso de transicin de la mezcla ferrito- cementita a austenita, generalmente se emplean los diagramas de formacin isotrmica de austenita, que dan una idea, sobre el curso del proceso de transformacin a diferentes temperaturas. Para construir este diagrama las probetas de acero a investigar se calentaban rpidamente hasta una temperatura preestablecida, superior a A1, y se mantienen cierto tiempo a esta temperatura. En el proceso de duracin isotrmica del calentamiento, se fijaban el comienzo y final de la transformacin de la perlita en austenita. Si los puntos obtenidos experimentalmente son llevados al grfico, en las coordenadas temperatura-tiempo, y se unen con curvas suaves, se obtiene un diagrama semejante a la Fig. 2, bajo estos diagramas se dan los esquemas de las microestructuras que muestran las etapas sucesivas de la formacin de granos de austenita en el grano de perlita, Fig. 2a, para la temperatura t.La transformacin de perlita en austenita est dado por las siguientes etapas:1 Ausencia de transformacin (a la izquierda de la lnea de comienzo de formacin de la austenita) durante cierto lapso de tiempo (perodo de incubacin) Fig 2a.2 Formacin de ncleos cristalinos de austenita en la zona de separacin de la ferrita y cementita.3 Crecimiento de los ncleos cristalinos de austenita (a cuenta de la disolucin de ferrita y cementita, Fig.2b. y el surgimiento de nuevos granos finos). Crecimiento de granos de austenita a cuenta de la ferrita, se conserva todava cierta cantidad de cementita, Fig. 2c.

II. JUSTIFICACION.

Los aceros al manganeso tipo Hadfield representan una de las aleaciones metalrgicas muy importantes dentro del amplio desarrollo de aleaciones especiales del acero

Se caracteriza fundamentalmente por poseer alta resistencia al impacto consiguindose paralelamente durante su uso un efecto secuencial indispensable de auto endurecimiento en la zona de trabajoCaracterstica que mejor ampliamente sus propiedades de resistencia al desgaste altamente erosivo. Dependiendo del uso al que se encuentren sometidos. La composicin qumica puede variar dentro del rango de que establece la norma AST A- 128, las adiciones como molibdeno, nquel, etc. fluctuaran tambin convenientemente.

Este acero es capaz de soportar ms impacto que cualquier otra materia y sus propiedades se logran despus de un adecuado tratamiento trmico que consiste en calentar el material a una temperatura de transformacin para obtener la solucin del carbn en la fase gama, seguido de un rpido enfriamiento asegurando la retencin del carbn en la solucin.

Bajo condiciones de severo impacto del trabajo se llegua a obtener niveles de dureza de 400 600 MB. Mientras estas no sean condiciones de trabajo los resultados obtenidos sern de bajo rendimiento, por lo que es necesario un impacto substancia para endurecer las superficies expuestas a partculas erosivas.

Los aceros Hadfield al manganeso ha sido un requerimiento muy anhelado en el campo de los materiales, su descubrimiento ha satisfecho las necesidades exigidas. Dependiendo del trabajo que se da en la actividad minera metalrgico se utilizan tambin los aceros al cromo-molibdeno los cuales son muy resistentes a la abrasin, estos materiales se aplican tambin a forros de molinos, martillos de chancadoras, rodillos de molinos. La microestructura de esas aleaciones es de perlita muy fina. Dicha estructura se logra despus de un adecuado tratamiento trmico.

Existen otras aleaciones tiles para propsitos de mayor abrasin tales como hierro fundido aleado o HIGH-CROMEComo puede observarse existen aleaciones que cumplen un mejor trabajo contra la abrasin pero no as como el impacto. El acero al manganeso es por eso el nico material no reemplazable en la accin combinada de abrasin e impacto.

Es lo particular de sus propiedades que me ha llamado mucho la atencin, razn por el cual creo que para poder obtener piezas de alta calidad habr que elaborar una serie de procesos experimentales, por el cual cada etapa en que se desarrolle esta parte de la investigacin habr de enriquecer a quien trate de investigar ms acerca de esta aleacin y un mejor acabado en cuanto a calidad de este material.

III. MARCO TEORICO Y CONCEPTUAL

Muchas variaciones de los aceros al manganeso originales han sido propuestas, pero solo unas pocas han sido adoptadas como mejoras significativas. Estas usualmente incluyen variaciones en el contenido de carbono y manganeso, con o sin elementos aleantes adicionales tales como cromo, nquel, molibdeno, vanadio, titanio y bismuto. Las composiciones ms comunes establecidas por la norma ASTM A128 son resumidas en la Tabla 1.

ASTM A128 GRADOCOMPOSICIN, %

CMnCrMoNiSi(max)P(max)

A1.05-13511 min....10.07

B10.9-1.0511.5-14....10.07

B21.05-1.211.5-14...10.07

B31.12-1.2811.5-14....10.07

B41.2-13511.5-14....10.07

C1.05-1.3511.5-141.5-2310.07

D0.7-1311.5-143-410.07

El0.7-1311.5-140.9-1.210.07

E21.05-1.4511.5-141.8-2.110.07

F1.05-1.356-80.9-1.210.07

Tabla 1. Rangos de composicin estndar para aceros austeniticos al manganeso

Los aceros al manganeso austenisticos tienen microestructuras que son sensibles al tamao de la seccion, estos aceros son metaestables con solucin slida de carbono, manganeso y silicio en hierro gamma (y). Por lo tanto, el desarrollo de una microestructura simple de austenita depende de la rapidez y efectividad del temple en agua durante el tratamiento trmico.La microestructura es caracterizada por una matriz austentica con carburos precipitados y pequeas colonias de perlita resultado del rechazo del carbono por parte de la austenita durante el enfriamiento como se observa en la Figura 1.

Figura 1. Microestructura accro Hadficld grado A, atacada con picral 4% 100X. Se observan granos de austenita (claro) con carburos precipitados (oscuro).

Estos carburos nuclean en los lmites de grano y en reas interdendrticas dentro de los granos de austenita. Los carburos interdendrticos pueden ser masivos, especialmente en los puntos triples, y algunas veces son rodeados por zonas de carburos laminares como se observa en la Figura 2.

Figura 2. Microcstructura acero Hadficld grado A, atacada con picral 4% 200X. Se observan carburos precipitados rodeados de carburos laminares.

Los aceros Hadfeld son sometidos a tratamientos trmicos de endurecimiento, los cuales consisten en calentar a una temperatura lo suficientemente alta para disolver los carburos, seguido de un enfriamiento rpido en agua agitada a temperatura ambiente para retener una mayor cantidad de carbono en la solucin slida metaestable. Estas aleaciones son no magnticas, sin embargo, debido a la perdida de carbono y algo de manganeso desde la superficie durante la solidificacin dentro del molde y durante el tratamiento trmico, algunas veces existe una capa magntica (martensita) sobre la superficie del metal como se observa en la Figura 3.

Figura 3. Microcstructura acero Hadficld grado A, tratada trmicamente a 1065C y enfriada en agua, atacada con picral 4% 500X. Se observa la capa de martensita formada durante la deformacin como resultado de la decarburacin de la austenita.

En las zonas contiguas a las partculas de cementita y despus de la disolucin, en las zonas donde estaban ubicadas anteriormente, la concentracin de carbono en austenita es mayor en aquellas zonas donde haba ferrita. Por eso es necesario un tiempo suplementario para que se equilibre por difusin, la concentracin de carbono en todo el volumen, de los cristales de austenita.En el caso de calentamiento ininterrumpido con diferentes velocidades (vi,v2,v3), la transformacin de la perlita en austenita transcurre a una velocidad no constante, sino en ciertos intervalos de temperaturas ( t-ti, b-t3, t4-ts) mientras mayor es la velocidad del calentamiento, ms alta es la temperatura a la cual transcurre la transformacin de la mezcla ferrita-cementita (perlita) en austenita. Al calentar el acero aleado, la mezcla, ferrita-carburo, se transforma en austenita mas lentamente, cosa que se explica por la dificultad con que se disuelven los carburos aleados en la austenita y por desceleracin de los procesos de difusin.1.3.2Transformaciones durante el enfriamiento Un enfriamiento por debajo de Ai (Fig. 1), temperatura de austenizacin, descompone en varias formas, dependiendo de la velocidad de enfriamiento. Esto es ilustrado esquemticamente en la Fig.3. Esta figura muestra la relacin temperatura-tiempo-transformacin, de una tpica aleacin de acero conteniendo aproximadamente 0.3% de C. Con un enfriamiento lento (lnea L-M), la austenita se descompone en una estructura mezcla de ferrita y carburo de fierro conocida como perlita. La estructura laminar de la perlita es ilustrada en la Fig.4, y una estructura tpica de ferrita y perlita obtenido por enfriamiento lento es mostrada en la Fig.5.

Fig. 3- Diagrama de transformacin isotrmica

Fig. 4- Estructura laminar de la perlita (x)1,500 Cuando la velocidad de enfriamiento abajo de Ai, en este caso 723C, es aumentado, la estructura completa se refina, y particularmente la estructura de la perlita misma. Cuando la velocidad de enfriamiento sigue la lnea L-N, la nariz de la perlita en la Fig.3 es evitada, y la austenita se transforma en bainita, que es ambin una mezcla ntima de ferrita y carburo de Fe, pero con una morfologa y modo de formacin diferente, que la de la perlita.El manganeso aumenta la zona de la austenita metaestable mostrada en la Fig.3. La Fig.6 muestra los diagramas de transformacin isotrmica, ilustran el inicio y complexin de la descomposicin de la austenita en ferrita y perlita a 525C y en bainita a 310C, que son retardados por el incremento en contenido del manganeso. El comienzo de la transformacin de la temperatura Ms, es tambin substancialmente retardada.Este incremento para la zona austentica metaestable por el manganeso, tiene de nuevo consecuencias importantes en el tratamiento trmico de las aleaciones de los aceros, al mejorar las propiedades mecnicas de stas.Existen dos tipos de bainita, la superior, como su nombre lo indica, se forma a una temperatura ms alta que la bainita inferior. La temperatura de transformacin que separa a ambas est entre 350C y 500C, dependiendo generalmente del contenido de carbono, Fig.7. Cuando la velocidad de enfriamiento es mucho ms rpida como la indicada por la lnea LO (Fig.3), o cuando el acero es templado en aceite o agua, se forma martensita. Esta es generalmente formada atrmicamente (como oposicin contraria a otras fases que son formadas isotrmicamente), por la transformacin cizallante de la austenita; donde la estructura de la red cbica de caras centradas, cambia al sistema tetragonal de cuerpo centrado, y los tomos de carbn son retenidas en posiciones intersticiales octadricas. Esta red es de hecho metaestable, y se descompondr por calentamiento (revenido), y se transformar en cbico de cuerpo centrado.

Figura 4Fig. 5- Estructura por enfriamiento lento (perlita-ferrita)

Fig.6 - Diagrama de transformacin isotrmica - Efecto del Manganeso sobre la transformacin de aceros de 0.55% de C, a dos temperaturas diferentes. Fig. 7- Efecto del contenido de carbn y.la temperatura en los cambio bainita superior a bainita inferior.

Fg. 8" Estructura tpica de martensita de bajo carbono tambin carburos de Fe-C (Fe 2,4-2,7 C), carburos de fierro(Fe3C- cementita) y eventualmente el equilibrio de fase.Existen dos tipos de martensita: a bajo contenido de carbn (encima de 0.2%); el producto de transformacin consiste en delgadas placas, teniendo una alta velocidad de dislocaciones, Fig. 8. Un contenido ms grande de carbn que 0.6% de C se forman lminas semejantes de martensita conteniendo muchas agujas (many twins), Fig. 9. A un contenido intermedio de carbn una mezcla de estos dos tipos de martensita son encontrados.Cuando el contenido de carbono es muy bajo, el fenmeno de transformacin de la martensita requiere, altas velocidades de enfriamiento; an cuando las velocidades son extremadamente rpidas, se forma generalmente ferrita poligonal, porque el proceso de nudeacin y crecimiento ocurre ms rpido que una transformacin de cizallamiento. Sin embargo una forma de martensita degenerada puede formarse y sta es generalmente descrita como martensita masiva.Las transformaciones de fase en slido pueden ser descritas; como civil (cuando la reaccin es predominantemente por nucleacin y crecimiento; ocurre movimientos de tomos sobre distancias mucho ms grandes que el dimetro del tomo) militar (cuando los movimientos individuales de los tomos, son menores que los dimetros de los tomos, y el movimiento ocurre de una manera conjunta). Esta seccin ha ilustrado como los procesos de descomposicin de austenita cambian de civil a militar, cuando la velocidad de enfriamiento se incrementa

V.OBJETIVOS DEL ESTUDIOCarbono y Manganeso. Las composiciones de la norma ASTM A128 no permite ninguna transformacin austenitica cuando las aleaciones son templadas en agua desde temperaturas superiores a la lnea A cm. Sin embargo, esto no restringe obtener menores valores de ductilidad en secciones gruesas debido a menores velocidades de temple. Esta prdida de ductilidad de la aleacin se debe a la formacin de carburos a lo largo de los lmites de grano y de otras reas interdendrticas. Este fenmeno ocurre en casi todas la aleaciones comerciales excepto en las piezas muy pequeas en la cuales las velocidades de enfriamiento son altas. La Figura 4 muestra la temperatura Acm para un acero hadfield con 13% de Mn.(9)

Porcentaje do CarbonoFigura 4. Solubilidad del carbono en un acero hadfield con 13 % de manganeso con un contenido de carbono entre 0.6 y 1.4%C.(I)

En la Figura 5 se muestra el efecto del carbono y manganeso sobre la temperatura Ms, temperatura en la cual comienza la transformacin martensitica desde la fase austentica con todo el carbono y el manganeso en solucin slida.

Figura 5. Variacin de la temperatura Ms con el contenido de carbono y manganeso

El contenido de carbono incrementa la resistencia de los aceros austenticos al manganeso por encima del rango del acero grado A de la norma ASTM A 128, hasta 1.05%C. En el rango entre 1.05 y 1.35%C se estabiliza la resistencia en 827 MPa (120Ksi), como se observa en la Figura 6. Cualquier valor por fuera de este dato se atribuye al efecto del tamao de grano en la fase austentica.

El manganeso afecta en baja proporcin la resistencia a la fluencia de los aceros austenticos al manganeso. En pruebas de tensin, la resistencia ultima y la ductilidad se incrementa rpidamente con el aumento en el contenido de manganeso hasta un 14%, por encima de este valor muestra un leve decrecimiento.

Esta presente en todos los aceros comerciales, ensancha la regin (p, por lo que los aceros con ms de un 12%Mn son austenticos; disminuye la temperatura de formacin de la perlita y tambin su contenido de carbono; incrementa la solubilidad del carbono en la austenita; favorece la formacin de carburos y endurece la ferrita, reduciendo un poco su plasticidad; su solubilidad en la austenita es ilimitada y en la ferrita se disuelve e hasta un 17%.

Adems, incrementa la resistencia a la traccin, el limite elstico, la resistencia a la fatiga y a la fluencia lenta, la forjabilidad, la resistencia al desgaste, la resistencia al revenido, la fragilidad del revenido, la formacin de carburos y la dilatacin trmica. En cambio, disminuye la maquinabilidad, la embutibilidad, las conductividades trmica y elctrica y la sensibilidad a la fractura frgil.

El manganeso disminuye las velocidades criticas de enfriamiento durante el temple; con ms de un 3%Mn, el enfriamiento al aire produce estructuras bainticas y, si el contenido es mayor estructuras martensticas; de ah que su efecto sobre la templabilidad sea mayor que el de otros aleantes comunes.

INFLUENCIA DEL MANGANESO EN EL ACERO

Antes de estudiar el efecto en el acero veamos cmo se comporta la aleacin fierro-manganeso (Fe-Mn), Fig. 10. A bajas concentraciones de manganeso se observa una fase de Fe-a hasta una temperatura de 912C, en que se transforma a la fase gamma (Fe-5, Mn); que es la zona ms amplia del diagrama. Cuando las concentraciones del manganeso estn entre 3 y 27% vemos como en la zona alfa (Fe-a, Mn a), la temperatura de transformacin disminuye a mayor concentracin de manganeso. Se muestran otras fases, pero la importancia de esta aleacin radica en su amplio campo austentico.En los diagramas Fe-C-Mn (Figs. 1.1, 1.2 y 1.3), se muestra como el manganeso baja la temperatura de transformacin de la austenita en los aceros, con respecto al diagrama Fe-C; por lo tanto extiende la zona austentica metaestable.

El efecto del manganeso en las propiedades de las aleaciones de mnimo carbono es muy ligero, Fig. 1.4. Aqu observamos que la reduccin de rea y ductilidad no son afectadas, mientras que la dureza brinell aumenta de 70 en el Fe puro hasta 95 a una composicin de 1.4% de manganeso y la resistencia a la traccin se incrementa de 2000 a 4000 PSI. En aceros de bajo carbono de 0.1% de C, Bain, ha determinado un aumento de dureza brinell muy pronunciado al aumentar el porcentaje de Mn, Fig. 1.5. Los datos mostrados en las figs. 1.4-1.5 fueron obtenidos de materiales recocidos.

En los aceros perlticos de mediano carbono tienen una doble funcin. Tiene un efecto de endurecimiento por solucin en la ferrita y una influencia en el refinamiento de la perlita. Bain, nos muestra la influencia del Mn en las series de aceros de 0.55% de C, reconocidos uniformemente, de estructura laminar, Fig. 1.6 en el rango de 0 a 7% de Mn, el grfico indica, un incremento en la resistencia mecnica con una progresiva disminucin en la ductilidad. Cuando los aceros son comparados sobre la base de velocidades de enfriamiento constante, enlugar de una base de estructura uniforme, las propiedades son vastamente ms afectadas por el Mn, porque influye en el refinamiento de la perlita, este efecto es encontrado en la Fig.1.7.

En la condicin de laminados, las propiedades mecnicas de los aceros perlticos al Mn, son determinados fuertemente por el refinamiento de la estructura laminar; y como una regla general, un alto contenido de Mn requiere un correspondiente bajo contenido de carbono, para mejorar la deseada resistencia mecnica.La curva familiar "S de las transformaciones isotrmicas se mueve a la derecha a medida que el contenido de Manganeso se incrementa (Fig. 1.8). El efecto retardado del Manganeso sobre la velocidad de transformacin de la Austenita a temperaturas subcrticas es un importante factor en la templabilidad, porque reduce la velocidad de enfriamiento necesario para prevenir la transformacin a muchas ms altas temperaturas, donde los productos de transformacin deben ser perlita fina mucho ms que martensita.El Manganeso es el ms potente elemento que influye en la templabilidad, que aquellos comnmente empleados en la fabricacin del acero. El efecto del manganeso es relativamente ms grande arriba del 1% que abajo del 1% con excepcin del carbono, el Mn baja la temperatura de transformacin mucho ms que cualquier otro elemento en el acero.En aceros bainticos el Mn reduce la concentracin de fuerzas por reduccin de tamao de grano e incrementa el endurecimiento por dispersin. Tambin permite producir bainita por enfriamiento al aire. Baja lentamente las reacciones de revenido en la martensita.

Fig.1.7.- Efecto del Mn en la dureza de un acero al C medio El Mn incrementa la fragilidad de revenido en aceros aleados a menos que el contenido de carbono sea muy bajo y las trazas de impurezas sean tambin reducidas. El Mn incrementa la solubilidad del carbono en austenitas altamente aleadas, permitiendo as bajar la temperatura de solucin, para ser usados en el tratamiento de endurecimiento por precipitacin. Forma compuestos intermetlicos convenientes para el endurecimiento por precipitacin, as como obstruye la formacin de fases sigma (a) de fragilizamiento.El Mn en combinacin con el nitrgeno tiene un efecto de endurecimiento por solucin slida y mejora sus propiedades a altas temperaturas. En los aceros austenticos produce una clase nica de endurecimiento por trabajado (deformacin).El Mn es usado en aceros elsticos (muelles, resortes) como productora de ductibilidad y tenacidad a la fractura dentro de bajas tensiones de resistencia mecnica. Tambin es usado en la produccin de estructuras austenticas transformables, que es conveniente para la resistencia mecnica de los aceros maraging.

El Mn mejora el lmite de fatiga, pero reduce el nmero de ciclos para fallar bajo condiciones de alta traccin. El Mn suprime el envejecimiento por deformacin. Es un til aditivo para el tratamiento trmico del acero en los procesos de austempering y martempering.El Mn tiende a incrementar la rajadura por soldadura, por propio efecto de templabilidad, la severidad de su influencia depende grandemente del tipo de acero y tcnicas de soldadura. El Mn no incrementa la susceptibilidad a la fractura retardada del acero por absorcin de hidrgeno.

EFECTO DEL MANGANESO EN EL REVENIDO

Una comparacin en el comportamiento de los aceros simples al carbono y los aceros al Mn durante el revenido es mostrado en la Fig.1.9, elaborado por Bain. Es evidente que aunque el acero al manganeso, tiene ms alto nivel de dureza a travs de todo el rango de temperatura de revenido, los dos aceros reaccionan similarmente. Para el mismo tiempo y temperatura del tratamiento de revenido, los aceros al Mn muestran relativamente el mismo declive en dureza, que cualquier aleacin al carbono.En aceros altos al carbono con ms de 1% de Mn, apreciable cantidad de austenita puede ser retenida despus del temple en aceite. Sin embargo efectos no perceptibles como el endurecimiento secundario han sido observados en los aceros al manganeso.Los aceros al Mn presentan una pronunciada tendencia a la fragilidad de revenido, frecuentemente exhibiendo un 50% de prdida en la tenacidad de la entalladura, despus de un lento enfriamiento desde una temperatura de 1100F o ms. El revenido despus del temple arriba de 1100F, es entonces una prctica no recomendada para estos aceros, particularmente cuando el tratamiento trmico debe hacerse a una pieza de gran seccin transversal.Los tratamientos caractersticos de esferoidizacin y grafitizacin en aceros al Mn no han sido satisfactoriamente evaluadas, pero puntos evidentemente circunstanciales llevan a la conclusin de que el Mn tiene un suave efecto negativo sobre ambas propiedades.

1.6.- EFECTOS ESPECIALES DEL MANGANESO EN EL ACERO

De todos los elementos empleados en la manufactura del acero, el manganeso ocupa una posicin nica, especialmente formando carburos como tambin sulfuras.

1.6.1El Manganeso y el CarbonoEstos dos elementos forman cinco tipos de carburos:Mnz3 C6, Mn7 C2 , Mm C, Mns C2, Mn7 C3. Sus estructuras cristalinas y su estabilidad trmica son mostradas en la tabla 1. El Fe3 C y Mro C forman un a solucin slida de rango continuo. Aunque una mezcla de carburo es formada la solubilidad del carbono en Fe a, es reducida; por la adicin del manganeso.El hecho de que la solubilidad disminuya con el incremento de manganeso, tiene una importante influencia sobre las propiedades de los aceros ai Mn de bajo carbono.El Mn no slo baja la solubilidad del carbono en ferrita, reduciendo la cantidad de carbono disponible para la precipitacin, tambin acta como un agente de nucleacin para la precipitacin de carburos dentro de los granos de ferrita ms que en los lmites de grano, previniendo la formacin de pelculas de cementita en los lmites de grano por enfriamiento desde altas temperaturas.Como se indica en la Fig.20 el espesor del carburo, es una de las variables microestructurales, que mejor controla la susceptibilidad a la fractura por clivaje.El efecto beneficioso del manganeso en la reduccin de espesores de filamentos de carburos es de mucha importancia en los aceros.

FORMAS DE FRACTURA Y MICROESTRUCTURAS

La discusin de datos tiene relacin con los mecanismos de resistencia mecnica del acero, y en particular con esos aspectos que conducen a la dislocacin en bloque. En la prctica sin embargo, el diseo de un comportamiento no es solamente basado en la resistencia mecnica, ms es limitado por las formas de fractura que pueden operarse en el acero en una variedad de servicios.Un punto fundamental en la utilizacin de aceros ferrticos es el hecho que sufren una transicin en la forma de fractura como una funcin de la temperatura, para lo cual una baja energa de fractura (Por ejemplo clivaje frgil) reemplaza una alta energa de fractura (Por ejemplo desgarramientos mltiples) con decrecimiento de temperatura.En la situacin de baja T, la quiebra ocurre substancialmente bajo la tensin de fluencia y aqu el potencial total de resistencia mecnica no es provechoso para su utilizacin prctica. Esto tiene inmediatamente obvias consecuencias para el diseo de componentes.Un hecho ms catastrfico de rotura de ingeniera, ocurre como resultado de la fractura frgil de clivaje, ms que como resultado de un colapso plstico, propio de una sobrecarga estructural.Esta caracterstica transicin en el comportamiento de fracturas es propia de todos los metales y aleaciones cbicas de cuerpo centrado y hexagonal compacto, y es revelado por todos los mtodos que contribuyen en la tenacidad.El mtodo usual para medir esta transicin, es midiendo la energa absorbida en la fractura por impacto en una probeta entallada como una funcin de la temperatura. La Fig. 3.6 muestra la variacin de la temperatura con la energa absorbida y el porcentaje (%), de fractura de clivaje para un metal sufriendo una transicin.Las caractersticas especficas que se han notado incluyen lo siguiente:i)Una alta energa absorbida por fractura a altas Ts.ii)Un estrecho rango de temperatura en que la energa cae a un bajo nivel El punto medio de este rango es conocido como la temperatura de transicin (Te).II) El decrecimiento en la energa de fractura con el decrecimiento de temperatura, es acompaada con un cambio en la apariencia de la fractura de un esmerilado de superficie fibrosa a una superficie de clivaje fundamentalmente lustrosa.Si la baja energa de fractura de clivaje debe ser evitada, un acero debe ser usado encima de su temperatura de transicin. Desafortunadamente esta temperatura es extremadamente sensible a variaciones microestructurales para variables en servicio, tales como la carga estimada, tamao de componente y tambin la existencia de severas tensiones aisladas (superficies rajadas, entalladuras, etc). Una ordenada influencia de las caractersticas de ambas variables extrnsicas e intrnsicas sobre la temperatura de transicin es necesaria para identificar los parmetros que determinan la tensin a que la fractura de clivaje puede ocurrir.Se conoce ahora, pero no es ampliamente apreciada, que la fluencia plstica localizada, es un prerrequisito necesario para la iniciacin del clivaje. Para uso del virtual trabajo principalUn orden para explicar la variacin observada en el comportamiento de la fractura, la interrelacin entre los criterios de tensin y fractura, pueden ahora ser considerados. El efecto de la temperatura sobre la tensin de fluencia (CTy), y tensin de fractura (CT f) se muestra esquemticamente en la Fig. 3.7

En la temperatura de transicin (Te), la fluencia y la tensin de fractura son coincidentes y abajo de Te el material es completamente frgil, y muestra tensin de microscopa plstica previa a la fractura. Encima de Te el material presenta microscopa de fluencia previa a la rotura, puede ocurrir an si el incrmento en resistencia mecnica consigue endurecimiento por forja. An a altas temperaturas el clivaje de tensin de fractura, nunca puede ser obtenida, porque el incremento de resistencia mecnica requerida, no puede ser ejecutada por endurecimiento de forja. La rotura es entonces asociada con la intensa deformacin plstica, y aqu resulta en una fractura fibrosa resistente.El extenso incremento de deformacin plstica, es el mejor factor que controla la cantidad de energa absorbida en el proceso de fractura.

Fatiga

Una de las ms comunes causas de fallas o fracturas en el acero es por fatiga La mayora de tales fallas pueden ser causadas por ingeniera de diseo, ms que por deficiencia en el material especificado. No obstante tales deficiencias mejores perfomances de ingeniera deben ser obtenidas, si las propiedades de fatiga son mejoradas. Con aceros transformables la tensin de lmite de fatiga tiende a incrementarse tanto como se incrementa la resistencia a la tensin final (RTF), es decir el radio de endurecimiento es igual a 0.5. Sin embargo cuando la RTF excede a 1200 MN rrf2, el radio de endurecimiento tiende a decrecer de una manera gradual. Fig 3.8.Aceros con tensin de lmite de fatiga ms grande que 900 MN m'2, son sin embargo muy difcil de producir. El manganeso hasta donde puede ser usado levanta la RTF, mejorando el lmite de fatiga. La fatiga puede ser fuertemente influenciada por la corrosin. Un medio ambiente corrosivo puede causar hoyos (grietas), y al sumarse el hidrgeno el acero tiende a fragilizarse. A mayor resistencia del acero es mayor la susceptibilidad a la falla por fatiga al hidrgeno inducido. En recientes aos ha sido mucho ms alta la atencin econmica, para una alta resistencia a la fatiga, es decir, la fractura inducida por esfuerzos revelan rangos de 1 a 10000. Esto implica que la fractura ocurre cuando la ductilidad del material ha sido agotado. Entonces ningn cambio metalrgico que influya en la ductilidad del material en tumo, afecta el comportamiento de el alto ciclo de fatiga de bajas-deformaciones. El manganeso en general no tiene un efecto negativo sobre la ductilidad del acero, y por comparacin con otros elementos de aleacin, no afectan casi en la reduccin del nmero de ciclos para fallas por fatiga a una deformacin dada. Habiendo considerado factores fundamentales que influyen sobre la resistencia de los aceros, que interactun en relacin a la fractura y comportamiento de la fatiga; y los ms complejos parmetros tales como soldabilidad que trataremos enseguida, es apropiado considerar los detalles ms prcticos del procesamiento y fabricacin del acero, y el rol del manganeso en los mecanismos de resistencia.Fig 3.8 Relacin entre resistencia a la fatiga y resistencia a la traccin

SOLDABILIDAD

Desde que la soldadura es utilizado ampliamente junto con la tcnica de fabricacin, el efecto producido a la zona afectada fuertemente por el calor puede producir fractura y debe ser examinada. Un orden para evaluar la soldadura usualmente es expresado por lo elementos de aleacin, en trminos de su carbono equivalente (CE). 1EI carbono equivalente es en este caso la medida de la susceptibilidad del acero para la transformacin hasta austenita, dando una fuerte zona afectada por el calor (ZAC), y es entonces susceptible a rajadura, particularmente si el hidrgeno ha sido introducido durante la soldadura.La frmula ms ampliamente usada para la alta resistencia mecnica de planchas de acero, es de la forma:CE = C + Si + Mn + Ni + Cr + Mo + V24 6 40 5 4 14 donde los elementos son expresados en % de peso.La dominante influencia del carbn y la relativa importancia del manganeso pueden verse claramente en esta relacin. Para el uso de estas frmulas valores de CE son determinadas y muy por encima del lmite son especificadas. El actual valor depende sobre las particulares circunstancias pero con una regla general, valores de 0.4/0.45 no pueden ser excedidos para evitarse la rajadura.El mximo temple de la zona afectada por el calor est relacionada al agrietamiento por soldadura, y menor soldadura dctil. Entonces por sustitucin de una medida de mximo temple, se puede evitar la rajadura por soldadura, y tal medida provee un simple mtodo de evaluacin del acero soldado. Como la dureza de la soldadura y la fraccin de volumen de la martensita se incrementa, la rajadura por enfriamiento se vuelve probable. La mxima dureza de soldadura, indica el lmite crtico para la rajadura de soldadura como el incremento de la resistencia mecnica del acero, pero esta relacin se vuelve difcil de emplear cuando incluye diferentes grados del acero. Sin embargo como una regla general puede establecerse, que la dureza de la soldadura debe ser sostenida tan baja como sea posible para prevenir la rajadura por soldadura.

ACEROS HADFIELD

Llamados as en honor a su inventor, es una aleacin extremadamente antimagntica, en que la usual transformacin de endurecimiento ha sido suprimida, por una combinacin de alto contenido de manganeso y rpido enfriamiento desde altas temperaturas. Este acero se caracteriza por su alta resistencia mecnica, gran ductibilidad, y excelente resistencia al desgaste e impacto. En la forma de fundiciones laminados, sirven en muchos requerimientos industriales, econmicamente y ha elaborado un envidiable rcord en la resistencia de materiales, para servicios severos que combinan abrasin e impacto.

MANUFACTURA

La produccin est confinada comnmente a hornos de solera abierta (Martn) y hornos elctricos, aunque otros mtodos son posibles. El manganeso puede ser aadido en la carga de fusin; como residuos de alto manganeso, ferromanganeso manganeso electroltico, separados o mezclados antes del vaciado. Los hornos de lnea bsica son necesarias si la mayor parte de manganeso es cargado, porque los xidos del manganeso disuelven y debilitan los refractarios que contienen silica almina. El horno bsico de arco elctrico es corrientemente preferida para la fundicin por colada; mientras que el homo de solera abierta horno elctrico bsico; ms una adicin de ferromanganeso fundido en la cuchara, es favorable a la formacin de este acero, en la produccin de lingotes que deben ser laminados.El metal fundido libremente produce un cido xido rojo castao ahumado, que interfiere con el pirmetro ptico. Estos xidos pueden atacar tambin los moldes refractarios, en moldes de cemento y arena, el manganeso ha sido detectado a casi media pulgada fuera de la interfase entre el molde y el metal.

V.CONCLUSIONES

La dureza y los mecanismos de endurecimiento por deformacin de los aceros Hadfield, se relacionan con la densidad total de los defectos, envejecimiento por deformacin y anclado de dislocaciones, y del afinamiento de la matriz austentica por deformacin de maclas.El manganeso contribuye significativamente a la dureza y a la resistencia del acero de la misma manera, pero con menos intensidad, que el carbono; su efectividad es directamente proporcional al contenido de ste. Es tambin, el principal desulfurante al combinarse con el azufre en forma de (FcMn)S y MnS.FeO; sua accin sobre el azufre minimiza el contenido de FeS, que es el causante de la fragilidad en caliente, esto mejora las caractersticas de conformacin en caliente y contribuye a mejorar el acabado superficial del producto.Los aceros Hadfield se caracterizan por sus propiedades mecnicas como: alta resistencia a la traccin y a la compresin, alta ductilidad y excelente resistencia al desgaste. El acero hadfield es el nico que combina alta resistencia y ductilidad con alta capacidad de endurecimiento por deformacin y usualmente buena resistencia al desgaste.

IV. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

TESIS: EXPLICACION DE LA METALURGIA DEL ACERO AL MANGANESO EFECTOS DE IMPACTO Y ABRASION.TESIS: EL MANGANESO- LOS ACEROS HADFIELD : INVESTIGACION METALOGRAFICATESIS: BRONCES AL MANGANESO.