¿Cuáles son los efectos de los elementos de aleación en la ferrita?

La mayoría de los elementos aleantes se agregan al acero de bajo carbono para producir un acero endurecido por solución sólida que resiste la deformación a ciertas temperaturas ambientales, aumentando la tensión de fricción del retículo δi. Sin embargo, actualmente es imposible predecir la tensión límite inferior únicamente utilizando fórmulas a menos que se conozca el tamaño de grano. Aunque los factores determinantes de la tensión límite son la temperatura de recocido y la velocidad de enfriamiento, este método de investigación sigue siendo importante porque puede predecir el rango dentro del cual un solo elemento aleante puede reducir la tenacidad del acero aumentando δi.

Hasta la fecha, no hay informes sobre el análisis de regresión de la temperatura de transformación no plástica (NDT) y la temperatura de transición de Charpy del acero ferítico. Sin embargo, estas son solo discusiones cualitativas sobre el efecto de agregar un solo elemento aleante en la tenacidad. A continuación, se presenta una breve introducción a los efectos de varios elementos aleantes en las propiedades del acero.

1) Manganeso. La mayoría del contenido de manganeso es aproximadamente 0,5%. Como desoxidante o agente de fijación de azufre, puede prevenir la fisura térmica del acero y tiene los siguientes efectos en el acero de bajo carbono.

Para el acero con un contenido de carbono del 0,05%, después del enfriamiento en aire o en horno, existe una tendencia a reducir la formación de películas de carburo en los límites de grano.

Puede reducir ligeramente el tamaño de los granos de ferrita.

Puede producir una gran cantidad de partículas finas de perlita. 

Los dos primeros efectos indican que la temperatura NDT disminuye a medida que aumenta el contenido de manganeso, mientras que los dos últimos efectos hacen que el pico de la curva de Charpy sea más agudo.

Cuando el contenido de carbono del acero es alto, el manganeso puede reducir significativamente la temperatura de transformación en aproximadamente un 50%. La razón de esto podría ser debido a la mayor cantidad de perlita, en lugar de la distribución de cementita en el límite. Debe tenerse en cuenta que si el contenido de carbono del acero es superior al 0,15%, el alto contenido de manganeso juega un papel decisivo en el rendimiento a impacto del acero normalizado. Debido a la alta templabilidad del acero, la austenita se transforma en bainita superior quebradiza en lugar de ferrita o perlita.

2) Níquel. El efecto de agregar níquel al acero es similar al del manganeso, que puede mejorar la tenacidad de la aleación hierro-carbono. El alcance de su efecto depende del contenido de carbono y del tratamiento térmico. En aceros con un contenido de carbono muy bajo (alrededor del 0,02%), un contenido del 2% puede prevenir la formación de carburos en los límites de grano de los aceros laminados a caliente y normalizados, al tiempo que reduce sustancialmente la temperatura inicial de transformación TS y eleva el pico de la curva de impacto Charpy.

Aumentar aún más el contenido de níquel reduce la mejora de la tenacidad a impacto. Si el contenido de carbono es lo suficientemente bajo (hasta el punto en que no aparecen carburos después de la normalización), el efecto del níquel sobre la temperatura de transformación se vuelve muy limitado. En aceros normalizados con un contenido de carbono de aproximadamente el 0,10%, la adición de níquel tiene el mayor beneficio de refinamiento de granos y reducción del contenido de nitrógeno libre, aunque el mecanismo actualmente no está claro. Puede deberse a que el níquel actúa como un estabilizador de la austenita, reduciendo así la temperatura a la que se descompone la austenita.

3) Fósforo. En una aleación pura de hierro-fósforo, la segregación de fósforo en los límites de grano de la ferrita reduce la resistencia a la tracción Rm, causando fragilidad entre los granos. Además, dado que el fósforo también es un estabilizador de la ferrita, agregarlo al acero aumentará significativamente el valor de δi y el tamaño de los granos de ferrita. Los efectos combinados harán que el fósforo sea un fragilizante extremadamente dañino, lo que llevará a una fractura transgranular.

4) Silicio. Agregar silicio al acero es para desoxidación y es beneficioso para mejorar el rendimiento de impacto. Si hay tanto manganeso como aluminio en el acero, la mayor parte del silicio se disuelve en la ferrita y aumenta el δi a través del efecto de endurecimiento por solución sólida. El efecto combinado de esta acción y el aumento del δi debido a la adición de silicio es que, en una aleación estable de hierro-carbono con tamaño de grano, agregar silicio en porcentaje en peso eleva la temperatura de transformación del 50% en aproximadamente 44°C. Además, el silicio es similar al fósforo, siendo un estabilizador de la ferrita, lo que puede promover el crecimiento de los granos de ferrita. Agregar silicio en porcentaje en peso al acero normalizado aumentará la temperatura de conversión de energía promedio en aproximadamente 60°C.

5) Aluminio. Las razones para agregar aluminio como agente de aleación y desoxidante al acero son las siguientes: Primero, forma AlN con el nitrógeno en el fundido para eliminar el nitrógeno libre; segundo, la formación de AlN refine los granos de ferrita. El resultado de estos dos efectos es que por cada aumento del 0.1% de aluminio, la temperatura de transformación disminuirá aproximadamente 40°C. Sin embargo, cuando la adición de aluminio supera la cantidad requerida, el efecto de "fijar" el nitrógeno libre se debilitará.

6) Oxígeno. El oxígeno en el acero causará segregación en los límites de grano, lo que conducirá a la fractura intergranular de la aleación de hierro. Cuando el contenido de oxígeno en el acero alcanza el 0.01%, la fractura se producirá a lo largo de los canales continuos formados por los límites de grano frágiles. Incluso si el contenido de oxígeno en el acero es muy bajo, las grietas se concentrarán y se nuclearán en los límites de grano y luego se propagarán a través del grano. La solución al problema de la embritamiento por oxígeno es agregar agentes desoxidantes como carbono, manganeso, silicio, aluminio y circonio, que se combinan con el oxígeno para formar partículas de óxido y eliminar el oxígeno de los límites de grano.