2.4 Aceros aleados.

Los elementos de aleación se añaden al acero para: a) proporcionar un endurecimiento por solución sólida en la ferrita, b) por la precipitación de carburos de aleación en lugar de la formación habitual de cementita, c) mejorar la resistencia a la corrosión por la formación de capas superficiales protectoras, y, d) mejorar la templabilidad.
El modo en que los elementos se distribuyen en los aceros depende básicamente de la tendencia a formar carburos u otros compuestos por parte de cada elemento. La tabla 13.2 resume la distribución aproximada de la mayoría de los elementos aleantes presentes en los aceros.
 
Tabla 13.2. Distribución aproximada de los elementos de aleación en los aceros.

El níquel se disuelve en la ferrita del acero, ya que tiene menos tendencia a formar carburos que el propio hierro. El silicio se combina en una cantidad limitada con el oxígeno presente en el material para formar inclusiones, pero por otra parte se disuelve en la ferrita. La mayor parte del manganeso se disuelve en la ferrita, aunque algo del mismo, formará carburos mixtos con el hierro modificando la cementita como (Fe, Mn)3C.
El cromo, que tiene mayor tendencia que el hierro a formar carburos, se reparte entre la formación de carburos y la disolución en la ferrita. La distribución del cromo depende del contenido en carbono presente así como de la presencia de otros elementos con mayor tendencia a la formación de carburos, como el V, Ti o Nb. El volframio y el molibdeno se combinan con el carbono para formar carburos, siempre y cuando la cantidad de carbono en el acero sea suficientemente elevada y no haya gran cantidad de elementos formadores de carburos como el Ti y el Nb que tienen una gran tendencia a formar carburos, no encontrándose prácticamente nunca disueltos en la ferrita.
El aluminio se combina fácilmente con el oxígeno y nitrógeno contenido en el acero, para dar inclusiones de alúmina, Al2O3, en el primer caso y precipitados endurecedores de AlN en el segundo, por lo que se aplica este último como elemento afinador de grano.

2.4.1 EFECTO DE LOS ELEMENTOS DE ALEACIÓN EN EL DIAGRAMA DE FASES.

Los distintos elementos de aleación dan lugar a que la temperatura eutectoide del diagrama Fe-C aumente o disminuya, figura 13.13. Tanto el manganeso como el níquel determinan una disminución de la temperatura eutectoide, y por tanto actúan como elementos gammágenos o estabilizadores de la austenita, aumentando por lo tanto la zona de existencia de la austenita en el diagrama Fe-C.

 
 
 
 
 
 
 
Figura 13.13. Efecto de los elementos de aleación en la temperatura de transformación eutectoide.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Por el contrario, los elementos formadores de carburos como el Cr, W, Mo, Ti, etc. elevan los valores de la temperatura eutectoide y disminuyen por tanto la zona de fase austenítica, o lo que es lo mismo amplían la zona de existencia de la ferrita. A estos elementos se les denomina alfágenos o elementos estabilizadores de la ferrita.
Todos los elementos de aleación, en mayor medida los formadores de carburos, disminuyen el porcentaje de carbono en la composición eutectoi-de, pudiendo obtener aceros hipereutectoides con un bajo contenido en carbono, figura 13.14. De la misma manera, los elementos de aleación modifican las líneas de transformación Ae1, Ae3, Acm, en consecuencia, las temperaturas de austenización disminuyen por lo que temperaturas satisfactorias para un acero al carbono pueden resultar excesivas para un acero aleado con el mismo contenido en carbono. De la misma forma, los elementos de aleación reducen las temperaturas Ms y Mf de inicio y fin de transformación martensítica, por lo que estos aceros pueden precisar enfriamientos hasta temperaturas más bajas para completar la transformación.
Figura 13.14. Efecto de los elementos de aleación en el contenido en carbono del eutectoide.
 
2.4.2 INFLUENCIA DE LOS ELEMENTOS DE ALEACIÓN SOBRE LA TEMPLABILIDAD DE LOS ACEROS.
La acción que ejercen los elementos de aleación sobre la templabilidad, es quizás una de las influencias más importantes y que más merece ser destacada. El temple de los aceros al carbono resulta difícil muchas veces al tener que someter al material a enfriamientos muy rápidos, en agua, lo que conlleva problemas de elevadas deformaciones en las piezas que impiden su utilización posterior, así como la poca penetración del temple aún en el caso de conseguir la transformación martensítica en la superficie de la pieza. Los aceros aleados no presentan estos problemas pues los elementos de aleación desplazan hacia la derecha las curvas de las S, o lo que es lo mismo, permiten la transformación martensítica a menores velocidades de enfriamiento, enfriamientos en aceite e incluso en aire.
Sin embargo, donde muestran una gran importancia es el aumento de la templabilidad del acero. Recordamos que la templabilidad de un acero se define como la propiedad que determina la profundidad y la distribución de la dureza inducida por enfriamiento desde la condición austenítica. La templabilidad de un acero depende principalmente de la composición del mismo y aumenta mayormente con la adición de elementos de aleación. Industrialmente, la templabilidad se determina por el ensayo Jominy, en el que una muestra cilíndrica de 25 mm de diámetro y una longitud de 100 mm, tras austenización, es enfriada por uno de sus extremos mediante un chorro de agua, lo que permite someter a la muestra a las diferentes velocidades de enfriamiento resultantes, desde un enfriamiento brusco en agua del extremo enfriado, a un enfriamiento al aire del extremo opuesto. La obtención de la dureza en una generatriz de la probeta, nos indicará la aptitud que el material muestra a la transformación martensítica, al obtener la distancia al extremo templado en la que conseguimos al menos un 50% de estructura martensítica, figura 13.15.
Figura 13.15. Correlación del diagrama de enfriamiento continuo con los datos del ensayo de templabilidad para un acero eutectoide.
 
La curva de templabilidad resultante del ensayo Jominy se irá aplanando, es decir se consigue penetrar u obtener la transformación martensítica a mayor distancia de la probeta. No debe confundirse esta facilidad de transformación martensítica con la obtención de una mayor dureza del acero templado, condición esta que depende casi exclusivamente del contenido en carbono del acero y nunca de los elementos de aleación que si influyen por contra en la dureza del revenido, al disminuir el efecto de ablandamiento de la estructura que tiene lugar durante este proceso. Algunos elementos de aleación formadores de carburos, como el Mo, V y Nb, producen un efecto de endurecimiento secundario tras el revenido a elevadas temperaturas, producido por la precipitación de finos carburos que distorsionan grandemente la matriz.
En la tabla 13.3 se recogen las principales propiedades mecánicas y algunas aplicaciones típicas de los principales aceros de baja aleación. Para ciertos niveles de resistencia, los aceros de baja aleación o semialeados muestran mejores combinaciones de resistencia, tenacidad y ductilidad que los aceros al carbono ordinarios. Sin embargo, el mayor coste de los mismos hace que su aplicación se reserve para cuando se considere necesario. Estos aceros se aplican frecuentemente en la fabricación de automóviles, ejes, árboles de transmisión, engranajes, muelles, etc.
 
Tabla 13.3. Composición y propiedades de aceros de baja aleación.