Clasificación del acero explicada: Química, propiedades y guía de selección

Las características definitorias del acero

Los sistemas de clasificación de acero consideran composición química, tratamiento y propiedades mecánicas para permitir a fabricantes seleccionar el producto apropiado para su aplicación. Aparte del porcentaje real de carbono y otras aleaciones en el material, la microestructura también tiene una influencia significativa en las propiedades mecánicas del acero.

Es importante entender la definición de microestructura y la forma en que la microestructura del acero puede manipularse usando conformado en caliente y frío y después de la fabricación. Estas técnicas pueden usarse para desarrollar productos con propiedades mecánicas específicas. Sin embargo, manipular composición y microestructura resultará en una compensación entre diferentes propiedades. Por ejemplo, acero más duro puede terminar con resistencia reducida.

Microestructura

La microestructura de un material es la forma en que las moléculas se unen con fuerzas trabajando entre esas moléculas. Procesos de calentamiento y enfriamiento se usan para cambiar la microestructura de una forma a otra, cambiando así las propiedades del material.

La microestructura no es observable a simple vista pero puede estudiarse bajo un microscopio. El acero puede adoptar varias microestructuras distintas: ferrita, perlita, martensita, cementita y austenita.

Ferrita

La ferrita es el término usado para la estructura molecular de hierro puro a temperatura ambiente. El acero con contenido de carbono muy bajo también adoptará esta misma microestructura. La forma característica de la ferrita es una estructura cristalina cúbica centrada en el cuerpo (BCC). Visualmente, imagine un cubo con una molécula en cada esquina y una molécula en el centro del cubo. Las moléculas están empaquetadas más sueltamente en BCC que en otras microestructuras que contienen más moléculas dentro de cada cubo. Sin embargo, la cantidad de carbono que puede añadirse sin cambiar la microestructura de ferrita es baja, solo 0,006 % a temperatura ambiente.

Austenita

La austenita es una microestructura que se forma cuando aleaciones basadas en hierro se calientan por encima de 1500 °F (815 °C) pero por debajo de 1800 °F (980 °C). Si la aleación correcta está presente en el acero, como níquel, el material mantendrá esta microestructura incluso al enfriarse. La forma característica de la austenita es una estructura cristalina cúbica centrada en las caras (FCC). Visualmente, imagine un cubo con una molécula en cada esquina y una molécula en el centro de cada cara del cubo. Las moléculas en una configuración de austenita están empaquetadas más densamente que las de ferrita. La austenita puede contener hasta 2 % de carbono y es una microestructura común del acero inoxidable.

Cementita

Cuando el acero al carbono se calienta en el rango de austenita y luego se enfría sin ninguna aleación presente para mantener la forma de austenita, la microestructura revierte a la forma de ferrita. Sin embargo, si el contenido de carbono es mayor que 0,006 %, los átomos de carbono en exceso se combinan con hierro para formar un compuesto químico llamado carburo de hierro (Fe3C), también conocido como cementita. La cementita no ocurre por sí sola porque parte del material permanecerá en forma de ferrita.

Perlita

La perlita es una estructura laminada formada por capas alternadas de ferrita y cementita. Ocurre cuando el acero se enfría lentamente, formando una mezcla eutéctica. Una mezcla eutéctica es aquella en la que dos materiales fundidos cristalizan simultáneamente. Bajo estas condiciones, ferrita y cementita se forman ambas al mismo tiempo, resultando en capas alternadas dentro de la microestructura.

Martensita

La martensita tiene una estructura cristalina tetragonal centrada en el cuerpo. Esta forma microcristalina se alcanza enfriando el acero rápidamente, lo que causa que los átomos de carbono queden atrapados dentro de la red de hierro. El resultado neto es una estructura muy dura, en forma de aguja, de hierro y carbono. El acero con una estructura microcristalina de martensita suele ser una aleación de acero de bajo carbono que contiene aproximadamente 12 % de cromo.

Es importante para fabricantes y consumidores de acero entender la microestructura del acero y cómo afecta las propiedades mecánicas del material. Contenido de carbono, concentraciones de aleación y métodos de acabado tienen impacto en la microestructura y pueden usarse para manipular las propiedades del producto final. Es posible que dos muestras con el mismo contenido de aleación tengan microestructuras diferentes dependiendo de los métodos de acabado y tratamientos térmicos usados.

Conformado en caliente y frío

Una vez que el acero fundido se colada, debe formarse en su forma final y luego acabarse para prevenir corrosión. El acero suele colarse en formas listas para máquina: bloques, lingotes y planchones. Las formas coladas se forman luego por laminado. El laminado puede realizarse en caliente, tibio o frío dependiendo del material y aplicación objetivo. Durante el laminado, la deformación por compresión se logra usando dos rodillos de trabajo. Los rodillos giran rápidamente para tirar y comprimir simultáneamente el acero entre ellos.

Conformado en frío

El conformado en frío es el proceso de laminar acero por debajo de su temperatura de recristalización. La presión ejercida por los rodillos sobre el acero causa dislocaciones en la microestructura del material, creando granos en el material. A medida que estas dislocaciones se acumulan, el acero se vuelve más duro y más difícil de deformar further. El laminado en frío también causa que el acero se vuelva quebradizo, lo que puede superarse mediante tratamiento térmico.

Después de completar el laminado, las piezas de acero se acaban usando técnicas de procesamiento secundario para prevenir corrosión y mejorar propiedades mecánicas:

• Recubrimiento
• Tratamiento superficial
• Tratamiento térmico

Tratamiento térmico

Efectos del tratamiento térmico

La microestructura del acero puede alterarse mediante calentamiento y enfriamiento controlados. Esto ha llevado al desarrollo de varios métodos de tratamiento térmico para modificar la microestructura y alcanzar un cambio deseado en propiedades mecánicas.

Las microestructuras del acero experimentan fases cambiantes a temperaturas específicas. El tratamiento térmico se basa en entender y manipular ciertos puntos de transformación:

• Temperatura de normalizado
  La austenita es la fase a partir de la cual se forman otras estructuras. La mayoría de tratamientos térmicos comienzan calentando el acero a una fase austenítica uniforme de 1500–1800 °F (815–980 °C).
• Temperatura crítica superior
  La temperatura crítica superior es el punto por debajo del cual cementita o ferrita comienzan a formarse. Esto ocurre cuando el acero se enfría desde la temperatura de normalizado. Dependiendo del contenido de carbono, este punto descansa entre 1333–1670 °F (723–910 °C).
• Temperatura crítica inferior
  La temperatura crítica inferior es el punto de transformación austenita-a-perlita. La austenita no puede existir por debajo de la temperatura crítica inferior de 1333 °F (723 °C).

La tasa de enfriamiento, desde la temperatura de normalizado y a través de las temperaturas críticas superior e inferior, determinará la microestructura resultante del acero a temperatura ambiente.

El tratamiento térmico incluye una gama de procesos, incluyendo recocido, temple y revenido. En el acero, ductilidad y resistencia tienen una relación inversa. Los tratamientos térmicos pueden aumentar la ductilidad a expensas de la resistencia, o viceversa.

Tipos de tratamiento térmico

Esferoidizado

El esferoidizado ocurre cuando el acero al carbono se calienta a aproximadamente 1290 °F (700 °C) durante 30 horas. Las capas de cementita en la microestructura de perlita se transforman en esferoides, resultando en la forma más blanda y dúctil de acero.

Recocido completo

El acero al carbono se recocina calentando ligeramente por encima de la temperatura crítica superior, manteniendo esa temperatura una hora, luego enfriando a una tasa de aproximadamente 36 °F (20 °C) por hora. Este proceso produce una estructura perlítica gruesa que es dúctil sin tensiones internas.

Recocido de proceso

El recocido de proceso alivia tensiones en acero de bajo carbono trabajado en frío (> 0,3 % C). El acero se calienta a 1025–1292 °F (550–700 °C) por una hora. Las dislocaciones en la microestructura se reparan por la reformación del cristal antes de enfriar.

Recocido isotérmico

El acero de alto carbono se calienta primero por encima de la temperatura crítica superior. Luego se mantiene, se enfría a la temperatura crítica inferior, y se mantiene una vez más. Luego se enfría gradualmente a temperatura ambiente. Este proceso asegura que el material alcance una temperatura y microestructura uniformes antes del siguiente paso de enfriamiento.

Normalizado

El acero al carbono se calienta a la temperatura de normalizado por una hora. En este punto, el acero entra completamente en la fase de austenita. El acero se enfría luego al aire. El normalizado crea una microestructura perlítica fina con alta resistencia y dureza.

Temple

El acero al carbono medio o alto se calienta a la temperatura de normalizado, luego se templa (enfriamiento rápido por inmersión en agua, salmuera o aceite) a la temperatura crítica superior. El proceso de temple produce una estructura martensítica, extremadamente dura pero quebradiza.

Revenido de acero templado

El tratamiento térmico más común porque su resultado puede predecirse con precisión. El acero templado se recalienta a una temperatura por debajo del punto crítico inferior, luego se enfría. Las temperaturas varían según el resultado pretendido, con el rango de 298–401 °F (148–205 °C) siendo el más común. Este proceso restaura algo de tenacidad al acero templado quebradizo permitiendo que se forme algo de esferoidita.

Propiedades mecánicas

Las propiedades mecánicas se miden de acuerdo con estándares internacionales como ASTM (Sociedad Americana para Pruebas y Materiales) o SAE (Sociedad de Ingenieros Automotrices).

Propiedades mecánicas clave del acero

Dureza

La dureza es la capacidad de un material para resistir abrasión. Aumentar la dureza puede lograrse elevando el contenido de carbono, y por temple que lleva a formación de martensita.

Resistencia

La resistencia del metal es la cantidad de fuerza necesaria para deformar un material. Normalizar una pieza de acero mejorará su resistencia creando una microestructura consistente a lo largo del material.

Ductilidad

La ductilidad es la capacidad de un metal para deformarse bajo tensión de tracción. El acero conformado en frío tiene baja ductilidad debido a las dislocaciones en la microestructura. El recocido de proceso mejorará esto permitiendo que los cristales se reformen y eliminen algunas dislocaciones.

Tenacidad

La tenacidad es la capacidad de resistir estrés sin romperse. El acero templado puede hacerse más tenaz mediante revenido que añade esferoides a la microestructura.

Mecanizabilidad

La mecanizabilidad es la facilidad con que el acero puede conformarse cortando, rectificando o taladrando. La mecanizabilidad se ve influenciada principalmente por la dureza. Cuanto más duro el material, más difícil de mecanizar.

Soldabilidad

La soldabilidad es la capacidad del acero para soldarse sin defectos. Depende principalmente de la composición química y tratamiento térmico. Punto de fusión, así como conductividad eléctrica y térmica, influyen en la soldabilidad de un material.

Para más información sobre propiedades mecánicas y pruebas de acero, vea las propiedades y producción de fundiciones de acero.

Descriptores de calidad

Los descriptores de calidad se aplican a productos de acero en categorías amplias como calidad comercial, industrial o estructural. Estas etiquetas marcan cierto acero como adecuado para aplicaciones y procesos de fabricación específicos, permitiendo navegación de mercado y toma de decisiones más rápida. El acero se coloca en categorías específicas basadas en varios factores:

• Solidez interna
• Composición química y uniformidad
• Grado de imperfecciones superficiales
• Extensión de pruebas durante fabricación
• Número, tamaño y distribución de inclusiones
• Endurecibilidad

Sistemas de clasificación de acero

Especificaciones, como las emitidas por ASTM, AISI (Instituto Americano del Hierro y Acero) y SAE, proporcionan un lenguaje estándar para ingenieros, fabricantes y consumidores para comunicar las propiedades del acero. La clasificación es a menudo muy específica, incluyendo todo desde composiciones químicas, propiedades físicas, tratamientos térmicos, procesos de fabricación y formas.

ASTM

El sistema ASTM usa una letra descriptiva seguida de un número secuencial. Por ejemplo, 'A' indica un metal férreo, y '53' es el número asignado a acero al carbono galvanizado.

ASTM A53 tendría las siguientes propiedades:

• Composición química, Máx. %
  • Carbono: 0,25 (Grado A), 0,30 (Grado B)
  • Manganeso: 0,95 (Grado A), 1,20 (Grado B)
  • Fósforo: 0,05
  • Azufre: 0,045
• Propiedades mecánicas
  • Resistencia a tracción, UTS: 330 MPa o 48.000 psi (Grado A), 414 MPa o 60.000 psi (Grado B)
  • Límite elástico, Yield: 207 MPa o 30.000 psi (Grado A), 241 MPa o 35.000 psi (Grado B)
• Forma y tratamiento
  • Tubería NPS 1/8 – NPS 26
  • Acero galvanizado
  • Negro e inmersión en caliente
  • Recubierto de zinc
  • Soldado y sin costura

SAE

El sistema de numeración AISI/SAE usa un número de 4 dígitos para clasificación. Los dos primeros números indican el tipo de acero y concentración de elemento de aleación, y los dos últimos indican concentración de carbono.

Por ejemplo, SAE 5130 describe un acero que contiene 1 % Cromo y 0,30 % Carbono. Los prefijos de letra se usan como descriptores de calidad para calidad comercial.