Acero martensítico

Acero conocido por su resistencia y dureza.

Los aceros martensíticos (un acrónimo de " martensítico " y "envejecido") son aceros conocidos por poseer resistencia y tenacidad superiores sin perder ductilidad . El envejecimiento se refiere al proceso prolongado de tratamiento térmico. Estos aceros son una clase especial de aceros de muy alta resistencia y bajo contenido de carbono que obtienen su resistencia no del carbono, sino de la precipitación de compuestos intermetálicos . El principal elemento de aleación es del 15 al 25 % en peso de níquel . ^[1] Se añaden elementos de aleación secundarios, que incluyen cobalto , molibdeno y titanio , para producir precipitados intermetálicos . ^[1] El desarrollo original (por Bieber de Inco a finales de la década de 1950) se llevó a cabo en aceros con 20 y 25% en peso de Ni a los que se les hicieron pequeñas adiciones de aluminio , titanio y niobio ; Un aumento en el precio del cobalto a finales de la década de 1970 condujo al desarrollo de aceros martensíticos sin cobalto. ^[2]

Los grados comunes, no inoxidables, contienen entre 17 y 19% en peso de níquel, entre 8 y 12% en peso de cobalto, entre 3 y 5% en peso de molibdeno y entre 0,2 y 1,6% en peso de titanio. ^[3] La adición de cromo produce grados de acero inoxidable resistentes a la corrosión. Esto también aumenta indirectamente la templabilidad ya que requieren menos níquel; Los aceros con alto contenido de cromo y níquel son generalmente austeníticos y no pueden transformarse en martensita cuando se tratan térmicamente, mientras que los aceros con bajo contenido de níquel pueden transformarse en martensita. Las variantes alternativas de aceros martensíticos reducidos en níquel se basan en aleaciones de hierro y manganeso más adiciones menores de aluminio, níquel y titanio donde se han utilizado composiciones entre Fe-9% en peso de Mn y Fe-15% en peso de Mn. ^[4] El manganeso tiene un efecto similar al del níquel, es decir, estabiliza la fase austenita. Por lo tanto, dependiendo de su contenido de manganeso, los aceros martensíticos Fe-Mn pueden ser completamente martensíticos después de enfriarlos desde la fase de austenita a alta temperatura o pueden contener austenita retenida. ^[5] Este último efecto permite el diseño de aceros maraging-TRIP donde TRIP significa Transformación-Inducida-Plasticidad. ^[6]

Propiedades

Debido al bajo contenido de carbono (menos del 0,03%) ^[7], los aceros martensíticos tienen buena maquinabilidad . Antes de envejecer, también se pueden laminar en frío hasta un 90% sin agrietarse. Los aceros martensíticos ofrecen buena soldabilidad , pero deben envejecerse posteriormente para restaurar las propiedades originales en la zona afectada por el calor . ^[1]

Cuando se trata térmicamente, la aleación tiene muy pocos cambios dimensionales, por lo que a menudo se mecaniza hasta sus dimensiones finales. Debido al alto contenido de aleación, los aceros martensíticos tienen una alta templabilidad. Dado que las martensitas dúctiles de FeNi se forman al enfriarse, las grietas son inexistentes o insignificantes. Los aceros se pueden nitrurar para aumentar la dureza de la carcasa y pulir hasta obtener un acabado superficial fino.

Las variedades no inoxidables de acero martensítico son moderadamente resistentes a la corrosión y resisten la corrosión por tensión y la fragilización por hidrógeno . La resistencia a la corrosión se puede aumentar mediante un revestimiento de cadmio o fosfatado .

Grados de acero martensítico

Los aceros martensíticos generalmente se describen con un número (por ejemplo, grados de acero SAE 200, 250, 300 o 350), que indica la resistencia a la tracción nominal aproximada en miles de libras por pulgada cuadrada (ksi); las composiciones y propiedades requeridas están definidas en la norma militar estadounidense MIL-S-46850D. ^[8] Los grados más altos tienen más cobalto y titanio en la aleación; Las composiciones siguientes se toman de la tabla 1 de MIL-S-46850D:

Esa familia se conoce como aceros martensíticos 18Ni, por su porcentaje de níquel. También existe una familia de aceros martensíticos sin cobalto que son más baratos pero no tan resistentes; un ejemplo es Fe-18,9Ni-4,1Mo-1,9Ti. Ha habido investigaciones rusas y japonesas sobre aleaciones maraging de Fe-Ni-Mn. ^[2]

Ciclo de tratamiento térmico

Primero, el acero se recoce a aproximadamente 820 °C (1510 °F) durante 15 a 30 minutos para secciones delgadas y durante 1 hora por 25 mm (1 pulgada) de espesor para secciones pesadas, para asegurar la formación de una estructura completamente austenitizada . A esto le sigue un enfriamiento con aire o un enfriamiento a temperatura ambiente para formar una martensita en forma de listón de hierro-níquel (no entrelazada) suave y muy dislocada. El envejecimiento posterior ( endurecimiento por precipitación ) de las aleaciones más comunes durante aproximadamente 3 horas a una temperatura de 480 a 500 °C (900 a 930 °F) produce una fina dispersión de las fases intermetálicas de Ni ₃ (X,Y) a lo largo de las dislocaciones dejadas por el martensítico. transformación, donde X e Y son elementos solutos agregados para dicha precipitación. El envejecimiento excesivo conduce a una reducción de la estabilidad de los precipitados primarios, metaestables y coherentes, lo que lleva a su disolución y sustitución por fases de Laves semicoherentes como Fe ₂ Ni/Fe ₂ Mo. Un tratamiento térmico excesivo adicional provoca la descomposición de la martensita. y reversión a austenita.

Las composiciones más nuevas de aceros martensíticos han revelado otras estequiometrías intermetálicas y relaciones cristalográficas con la martensita original, incluido el complejo romboédrico y masivo Ni ₅₀ (X,Y,Z) ₅₀ (Ni ₅₀ M ₅₀ en notación simplificada).

Procesamiento de acero martensítico.

Los aceros martensíticos son una clase popular de materiales estructurales debido a sus propiedades mecánicas superiores entre las diferentes categorías de acero. Sus propiedades mecánicas se pueden adaptar a diferentes aplicaciones utilizando diversas técnicas de procesamiento. Algunas de las técnicas de procesamiento más utilizadas para la fabricación y ajuste del comportamiento mecánico de los aceros martensíticos se enumeran a continuación:

• Tratamiento de solución : como se describe en la sección del ciclo de tratamiento térmico, el acero martensítico se calienta a un rango de temperatura específico, después de lo cual se enfría rápidamente. En este paso se disuelven los elementos de aleación y se consigue una microestructura homogénea . La microestructura homogénea así conseguida mejora el comportamiento mecánico general de los aceros martensíticos, como la tenacidad a la fractura y la resistencia a la fatiga.
• Envejecimiento de aceros martensíticos : es un paso de procesamiento importante ya que este paso conduce a la precipitación de compuestos intermetálicos como Ni ₃ Al, Ni ₃ Mo, Ni ₃ Ti, etc. Los precipitados semicoherentes obtenidos durante el envejecimiento normal y los precipitados incoherentes obtenidos después de un envejecimiento excesivo contribuyen a mejora del comportamiento mecánico mediante la activación de varios mecanismos de fortalecimiento relacionados con la obstaculización del movimiento de dislocación por precipitados. Los mecanismos de fortalecimiento, como el endurecimiento por precipitado, donde los precipitados dificultan el movimiento de la dislocación a través del mecanismo de Orowan o la curvatura de la dislocación, conducen a un aumento en la resistencia a la tracción última de los aceros martensíticos. El envejecimiento también es beneficioso para reducir las heterogeneidades microestructurales que pueden ocurrir debido a una distribución térmica no uniforme a lo largo de la dirección del edificio en muestras fabricadas con aditivos de arco. ^[9]
• Fusión láser en lecho de polvo (LPBF) : La fusión láser en lecho de polvo es una técnica de fabricación aditiva que se utiliza para crear componentes de geometrías intrincadas utilizando un polvo metálico que se fusiona capa por capa utilizando una fuente de calor localizada de alta densidad de potencia, como un láser . Los materiales se pueden adaptar para que tengan propiedades mecánicas específicas optimizando los parámetros del proceso asociados con LPBF. Se ha observado que los parámetros de procesamiento, como la velocidad de escaneo láser, la potencia y el espacio de escaneo, pueden tener efectos significativos en las propiedades mecánicas del acero martensítico 300, como la resistencia a la tracción , la microdureza y la tenacidad al impacto . Junto a los parámetros de procesamiento, también juega un papel importante el tipo de tratamiento térmico al que se someten los aceros LPBF. Se observa que los parámetros de procesamiento que tienen una magnitud mayor reducen la densidad relativa de la muestra debido a la rápida vaporización o creación de huecos y poros. También se observa que la microdureza y resistencia del acero disminuye después del tratamiento en solución debido a la reversión de la austenita y la desaparición de la microestructura celular. Por otro lado, el tratamiento de envejecimiento después del tratamiento con solución aumenta la microdureza y la resistencia a la tracción del acero, lo que se atribuye a la formación de precipitados como Ni ₃ Mo, Ni ₃ Ti, Fe ₂ Mo. La tenacidad al impacto aumenta después del tratamiento con solución pero disminuye después del envejecimiento. tratamiento, que puede atribuirse a la microestructura subyacente que consiste en pequeños precipitados que actúan como regiones concentradoras de tensiones para la formación de grietas. ^[10] La formación de precipitados a nanoescala de compuestos intermetálicos después del proceso de envejecimiento conduce a un marcado aumento en el rendimiento y la resistencia máxima a la tracción, pero a una reducción sustancial de la ductilidad del material. Este cambio en el comportamiento macroscópico del material puede vincularse a la evolución de la microestructura desde una morfología de fractura con hoyuelos hasta una fractura de cuasi escisión. ^[11] El envejecimiento seguido del tratamiento con solución de aceros fundidos con láser selectivo también reduce la cantidad de austenita retenida en la matriz martensítica y conduce a un cambio en la orientación del grano. ^[12] El envejecimiento puede reducir la anisotropía plástica hasta cierto punto, pero la direccionalidad de las propiedades está influenciada en gran medida por su historia de fabricación. ^[13]
• Deformación plástica severa : conduce a un aumento en la densidad de dislocaciones en los materiales, lo que a su vez ayuda a facilitar la formación de precipitados intermetálicos debido a la disponibilidad de vías de difusión más rápidas a través de los núcleos de dislocaciones. Se ha observado que la deformación plástica antes del envejecimiento conduce a una reducción del tiempo máximo de envejecimiento y a un aumento de la dureza máxima. ^[14] La morfología del precipitado en acero severamente deformado plásticamente cambia y se vuelve similar a una placa cuando se envejece demasiado, lo que se atribuye a una mayor densidad de dislocación. Esto a su vez conduce a una reducción significativa de la ductilidad y un aumento de la resistencia del material. Junto con la morfología, la orientación de los precipitados también juega un papel importante en el micromecanismo de deformación, ya que inducen anisotropía en las propiedades mecánicas. ^[15]

Usos

La resistencia y maleabilidad del acero martensítico en la etapa preenvejecida le permite formar revestimientos de cohetes y misiles más delgados que otros aceros, lo que reduce el peso para una resistencia determinada. ^[16] Los aceros martensíticos tienen propiedades muy estables e, incluso después de un envejecimiento excesivo debido a una temperatura excesiva, solo se ablandan ligeramente. Estas aleaciones conservan sus propiedades a temperaturas de funcionamiento levemente elevadas y tienen temperaturas máximas de servicio de más de 400 °C (750 °F). ^{[ cita necesaria ]} Son adecuados para componentes de motores, como cigüeñales y engranajes, y los percutores de armas automáticas que pasan de caliente a frío repetidamente mientras están bajo una carga sustancial. Su expansión uniforme y su fácil maquinabilidad antes del envejecimiento hacen que el acero martensítico sea útil en componentes de alto desgaste de líneas de ensamblaje y matrices . Otros aceros de ultra alta resistencia, como las aleaciones AerMet , no son tan mecanizables debido a su contenido de carburo.

En el deporte de la esgrima , las hojas utilizadas en las competiciones realizadas bajo los auspicios de la Fédération Internationale d'Escrime suelen fabricarse con acero martensítico. Las hojas maraging son superiores para el florete y la espada porque la propagación de grietas en el acero maraging es 10 veces más lenta que en el acero al carbono, lo que resulta en roturas menos frecuentes de la hoja y menos lesiones. ^{[i] [17]} El acero inoxidable martensítico se utiliza en cuadros de bicicletas (por ejemplo, Reynolds 953 introducido en 2013) ^[18] y cabezas de palos de golf . ^[19] También se utiliza en componentes quirúrgicos y jeringas hipodérmicas, pero no es adecuado para hojas de bisturí porque la falta de carbono impide que mantenga un buen filo.

El productor estadounidense de cuerdas para instrumentos musicales Ernie Ball ha fabricado un tipo especializado de cuerdas para guitarra eléctrica con acero martensítico, afirmando que esta aleación proporciona más salida y una respuesta tonal mejorada. ^[20]

La producción, importación y exportación de acero martensítico por parte de determinadas entidades, como los Estados Unidos, ^[21] está estrechamente controlada por las autoridades internacionales porque es especialmente adecuado para su uso en centrifugadoras de gas para el enriquecimiento de uranio ; ^[22] La falta de acero martensítico dificulta significativamente el proceso de enriquecimiento de uranio. Las centrífugas más antiguas utilizaban tubos de aluminio, mientras que las modernas utilizan compuestos de fibra de carbono. ^{[ cita necesaria ]}

Propiedades físicas

• Densidad : 8,1 g/cm ³ (0,29 lb/in ³ )
• Calor específico , medio para 0–100 °C (32–212 °F): 452 J/kg·K (0,108 Btu/lb·°F)
• Punto de fusión : 1.413 °C (2.575 °F)
• Conductividad térmica : 25,5 W/m·K
• Coeficiente medio de expansión térmica : 11,3×10 ⁻⁶  K ⁻¹ (20,3×10 ⁻⁶  °F ⁻¹ )
• Resistencia a la tracción : normalmente 1400 a 2400 MPa (200 a 350 ksi) ^[23]
• Resistencia máxima a la tracción : normalmente 1,6 a 2,5 GPa (230 a 360 ksi). Existen grados de hasta 3,5 GPa (510 ksi)
• Elongación a la rotura: hasta 15%
• Tenacidad a la fractura K _IC : hasta 175 MPa·m ^{1 ⁄ 2}
• Módulo de Young : 210 GPa (30 × 10 ⁶  psi) ^[24]^
• Módulo de corte : 77 GPa (11,2 × 10 ⁶  psi)^
• Módulo de volumen : 140 GPa (20 × 10 ⁶  psi)^
• Dureza (envejecida): 50 HRC (grado 250); 54 HRC (grado 300); 58 HRC (grado 350) ^{[25] [26] [27]}

Ver también

• Aermet
• Acero USAF-96 y Eglin (aceros martensíticos económicos con menos níquel y otros materiales costosos).

Referencias

1. Sin embargo, la noción de que las hojas de acero envejecido se rompen es una leyenda urbana de esgrima . Las pruebas han demostrado que los patrones de rotura de las hojas en acero al carbono y acero martensítico son idénticos debido a la similitud en el modo de carga durante la flexión. Además, es probable que una grieta comience en el mismo punto y se propague a lo largo del mismo camino (aunque mucho más lentamente), ya que la propagación de grietas por fatiga es un fenómeno plástico más que microestructural.

1. Degarmo, E. Paul; Negro, JT; Kohser, Ronald A. (2003), Materiales y procesos de fabricación (9ª ed.), Wiley, pág. 119, ISBN 0-471-65653-4
2. Sha, W; Guo, Z (26 de octubre de 2009). Aceros martensíticos: modelado de microestructura, propiedades y aplicaciones . Elsevier.
3. INCO. "Acero martensítico con 18% de níquel: propiedades de ingeniería". Instituto del Níquel .
4. Raabe, D.; Sandlöbes, S.; Millán, JJ; Ponge, D.; Assadi, H.; Herbig, M.; Choi, PP (2013), "La ingeniería de segregación permite la transformación de fase de martensita a austenita a nanoescala en los límites de los granos: un camino hacia la martensita dúctil", Acta Materialia , 61 (16): 6132–6152, Bibcode : 2013AcMat..61.6132R, doi : 10.1016/j.actamat.2013.06.055.
5. Dmitrieva, O.; Ponge, D.; Inden, G.; Millán, J.; Choi, P.; Sietsma, J.; Raabe, D. (2011), "Gradientes químicos a través de los límites de fase entre martensita y austenita en acero estudiados mediante simulación y tomografía con sonda atómica", Acta Materialia , 59 (1): 364–374, arXiv : 1402.0232 , Bibcode : 2011AcMat.. 59..364D, doi :10.1016/j.actamat.2010.09.042, ISSN  1359-6454, S2CID  13781776
6. Raabe, D.; Ponge, D.; Dmitrieva, O.; Sander, B. (2009), "Aceros de 1,5 GPa endurecidos por nanoprecipitado con alta ductilidad inesperada", Scripta Materialia , 60 (12): 1141, doi :10.1016/j.scriptamat.2009.02.062
7. Adrian P Mouritz, Introducción a los materiales aeroespaciales, p. 244, Elsevier, 2012 ISBN 0857095153 . 
8. Especificación militar 46850D: ACERO: BARRA, PLACA, HOJA, TIRA, FORJAS Y EXTRUSIONES, 18 POR CIENTO DE ALEACIÓN DE NÍQUEL, MARAGADO, 200 KSI, 250 KSI, 300 KSI Y 350 KSI, ALTA CALIDAD, disponible en http://everyspec .com/MIL-SPECS/MIL-SPECS-MIL-S/MIL-S-46850D_19899/
9. Xu, Xiangfang; Ganguly, Supriyo; Ding, Jialuo; Guo, Shun; Williams, Stewart; Martina, Filomeno (2018), "Evolución microestructural y propiedades mecánicas del acero martensítico producido mediante proceso de fabricación aditiva con alambre + arco", Caracterización de materiales , 143 : 152–162, doi :10.1016/j.matchar.2017.12.002, hdl : 1826 /12819 , S2CID  115137237
10. Bai, Yuchao; Yang, Yongqiang; Wang, Di; Zhang, Mingkang (2017), "Mecanismo de influencia del proceso de parámetros y mecanismo de evolución de las propiedades mecánicas del acero martensítico 300 mediante fusión selectiva con láser", Ciencia e ingeniería de materiales: A , 703 : 116–123, doi : 10.1016/j.msea.2017.06 .033
11. Suryawanshi, Jyoti; Prashanth, KG; Ramamurty, U. (2017), "Propiedades de crecimiento de grietas por tracción, fractura y fatiga de un acero martensítico impreso en 3D mediante fusión selectiva por láser", Journal of Alloys and Compounds , 725 : 355–364, doi : 10.1016/j.jallcom. 2017.07.177
12. Mutua, James; Nakata, Shinya; Onda, Tetsuhiko; Chen, Zhong-Chun (2018), "Optimización de los parámetros selectivos de fusión por láser e influencia del tratamiento térmico posterior en la microestructura y las propiedades mecánicas del acero martensítico", Materials & Design , 139 : 486–497, doi :10.1016/j.matdes. 2017.11.042
13. Mooney, Barry; Kourousis, Kyriakos I; Raghavendra, Ramesh (2019), "Anisotropía plástica del acero martensítico fabricado aditivamente: influencia de la orientación de construcción y los tratamientos térmicos", Fabricación aditiva , 25 : 19–31, doi :10.1016/j.addma.2018.10.032, hdl : 10344 /7510 , S2CID  139243144
14. Tian, ​​Jialong; Wang, Wei; Li, Huabing; Shahzad, M Babar; Shan, Yiyin; Jiang, Zhouhua; Yang, Ke (2019), "Efecto de la deformación sobre el comportamiento de endurecimiento por precipitación de un acero martensítico en el proceso de envejecimiento", Caracterización de materiales , 155 : 109827, doi :10.1016/j.matchar.2019.109827, S2CID  199188852
15. Jacob, Kevin; Roy, Abhinav; Gururajan, diputado; Jaya, B Nagamani (2022), "Efecto de la red de dislocaciones sobre la morfología de los precipitados y el comportamiento de deformación en aceros martensíticos: modelado y validación experimental", Materialia , 21 : 101358, doi :10.1016/j.mtla.2022.101358, S2CID  246668007
16. Joby Warrick (11 de agosto de 2012). "Argucia nuclear: haciéndose pasar por un fabricante de juguetes, un comerciante chino supuestamente buscó tecnología estadounidense para Irán". El Washington Post . Consultado el 21 de febrero de 2014 .
17. Juvinall, Robert C.; Marshek, Kurt M. (2006). Fundamentos del diseño de componentes de máquinas (Cuarta ed.). John Wiley & Sons, Inc. pág. 69.ISBN _ 978-0-471-66177-1.
18. "Reynolds cumple 120 años: la historia de Reynolds Technology". www.reynoldstechnology.biz . 20 de diciembre de 2018 . Consultado el 29 de diciembre de 2022 .
19. "Acero martensítico en palos de golf". Compendio de golf . Consultado el 29 de diciembre de 2022 .
20. "Cuerdas de guitarra eléctrica Slinky M-Steel". Ernie Ball . Consultado el 15 de julio de 2020 . Las cuerdas para guitarra eléctrica Ernie Ball M-Steel están hechas de una aleación patentada de súper cobalto envuelta alrededor de un alambre con núcleo hexagonal de acero maraging, lo que produce un tono más rico y completo con una potente respuesta de graves.
21. Regulaciones federales consolidadas parte 110: exportación e importación de equipos y materiales nucleares , consultado el 11 de noviembre de 2009 .
22. Patrikarakos, David (noviembre de 2012). Irán nuclear: el nacimiento de un estado atómico . IB Tauris. pag. 168.ISBN _ 978-1-78076-125-1.
23. "Aceros martensíticos". imoa.info . Asociación Internacional del Molibdeno . Consultado el 8 de abril de 2015 .
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26. "Acero Maraging 300 / VASCOMAX 300". Servicio de acero aeroespacial . 10 de diciembre de 2019.
27. "Acero Maraging 350 / VASCOMAX 350". Servicio de acero aeroespacial . 10 de diciembre de 2019.

enlaces externos

• Fichas técnicas de acero martensítico Archivado el 15 de agosto de 2016 en Wayback Machine.