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Acero

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Torre Eiffel[1] obra del ingeniero francés Gustave Eiffel para la Exposición Universal de 1889 de París. La construcción sigue siendo hoy día una de las principales aplicaciones del acero.
Se entiende por acero la aleación de hierro y carbono en la que el porcentaje de carbono no supera el 2% en peso[2]. Porcentajes mayores que el 2% de carbono dan lugar a las fundiciones y aleaciones con muy pequeña cantidad de carbono se denominan hierro dulce o simplemente hierro. La diferencia fundamental entre ellos es que los aceros son, por su ductilidad, fácilmente deformables en caliente bien por forja, laminación o extrusión, mientras que las fundiciones se fabrican generalmente por moldeo —de hecho al acero también se le ha venido conociendo como «hierro forjable» y a la fundición «hierro colado» en virtud de la técnica más favorable para trabajar el material—; igualmente el acero se distingue del hierro dulce en que aquél puede templarse adquiriendo extraordinaria dureza mientras que el hierro dulce (blando y dúctil aunque resistente) no puede endurecerse mediante dicho procedimiento, incluso a este estado endurecido del acero se le llamó y aún llama «acritud» por contraposición a la «dulzura» natural del hierro.

La definición anterior, sin embargo, se circunscribe a los aceros al carbono en los que éste último es el único aleante o los demás presentes lo están en cantidades muy pequeñas —insuficientes para que su presencia cause modificaciones en las características de la aleación— pues de hecho existen multitud de tipos de acero con composiciones muy diversas que reciben denominaciones específicas en virtud ya sea de los elementos que predominan en su composición (aceros al silicio), de su susceptibilidad a ciertos tratamientos (aceros de cementación), de alguna característica potenciada (aceros inoxidables) e incluso en función de su uso (aceros estructurales). Usualmente estas aleaciones de hierro se engloban bajo la denominación genérica de aceros especiales, razón por la que aquí se ha adoptado la definición de los comunes o "al carbono" que amén de ser los primeros fabricados y los más empleados[3], sirvieron de base para los demás. Esta gran variedad de aceros llevó a Siemens a definir el acero como «un compuesto de hierro y otra sustancia que incrementa su resistencia».[4]

Además de los componentes principales indicados, los aceros incorporan otros elementos químicos, algunos perjudiciales, provenientes de la chatarra, el mineral o el combustible empleado en el proceso de fabricación, como el azufre y el fósforo, mientras que otros se añaden intencionalmente para la mejora de alguna de las características del acero, bien para incrementar la resistencia, ductilidad, dureza, etc. o para facilitar algún proceso de fabricación como puede ser el mecanizado; tal es el caso de los elementos de aleación como el níquel, el cromo, el molibdeno, etc.

El acero es actualmente la más importante aleación mecánica empleandose de forma intensiva en numerosas aplicaciones como bienes de equipo (máquina-herramienta), construcción, etc., sin embargo, su utilización se ve condicionada en determinadas aplicaciones por las ventajas técnicas que ofrecen otros materiales como el aluminio en el transporte por su mayor ligereza y en la construcción por su mayor resistencia a la corrosión, el hormigón (aunque combinado con el acero) por su mayor resistencia al fuego, los materiales cerámicos en aplicaciones a altas temperaturas, etc.

Aún así sigue hoy día empleándose por su neta superioridad frente al resto de las aleaciones si se considera el factor precio, ya que:

  • Existen numerosos yacimientos de minerales de hierro suficientemente ricos, puros y fáciles de explotar, además de la posibilidad de reciclar la chatarra.[5]
  • Los procedimientos de fabricación son relativamente simples y económicos.
  • Presentan una interesante combinación de propiedades mecánicas que pueden modificarse dentro de un amplio rango variando los componentes de la aleación y sus cantidades, o mediante la aplicación de tratamientos térmicos, químicos y mecánicos.
  • Su plasticidad permite obtener piezas de formas geométricas complejas con realtiva facilidad y,
  • La experiencia acumulada en su utilización permite realizar predicciones de su comportamiento, reduciendo costes de diseño y plazos de puesta en el mercado.

Tal es la importancia industrial de este material que su metalurgia recibe la denominación especial de siderurgia, y su influencia en el devenir histórico de la humanidad queda reflejada en el hecho de que una de las edades de hombre recibiera la denominación de Edad del Hierro, aquélla que comenzó hacia el año 1500 adC, y que aún perdura.

Diagrama hierro-carbono (Fe-C)

En el diagrama de equilibro, o de fases, Fe-C se representan las transformaciones que sufren los aceros al carbono con la temperatura, admitiendo que el calentamiento (o enfriamiento) de la mezcla se realiza muy lentamente de modo que los procesos de difusión (homogeneización) tienen tiempo para completarse. Dicho diagrama se obtiene experimentalmente identificando los puntos críticos —temperaturas a las que se producen las sucesivas transformaciones— por métodos diversos.

Constituyentes de los aceros al carbono

El hierro puro presenta tres estados alotrópicos a medida que se incrementa la temperatura desde la ambiente los llamados hierro α o ferrita,[6] hierro γ y hierro δ (véase «Estados alotrópicos del hierro»).

Estos estados alotrópicos pueden disolver cantidades variables de carbono en función de la temperatura. La ferrita disuelve el C en muy pequeñas cantidades. El máximo, aproximadamente 0,025% de C en peso —en torno a esta cifra se adopta el límite entre los «hierros» y los aceros— se verifica a la temperatura crítica A1[7] disminuyendo a medida que desciende la temperatura hasta el 0,008% de C a temperatura ambiente. El hierro γ sin embargo puede disolver algo más del 2% de C en peso a 1147 °C —límite entre los aceros y las fudiciones— denominándose a la solución sólida formada austenita.

Cuando se añade carbono al hierro, sus átomos podrían situarse simplemente en los instersticios de la red cristalina de éste último; sin embargo en los aceros aparece generalmente en forma de carburo de hierro (Fe3C), un compuesto químico definido y que recibe la denominación de cementita de modo que los aceros al carbono están constituidas realmente por ferrita y cementita.

Transformación de la austenita

Zona de los aceros (hasta 2% de carbono) del diagrama de equilibrio metaestable hierro-carbono.

El diagrama de fases Fe-C muestra dos composiciones singulares:

  • Un eutéctico (composición para la cual el punto de fusión es mínimo) que se denomina ledeburita y contiene un 4,3% de carbono (64,5 % de cementita). La ledeburita aparece entre los constituyentes de la aleación cuando el contenido en carbono supera el 2% (región del diagrama no mostrada) y es la responsable de la mala forjabilidad de la aleación marcando la frontera entre los aceros y las fundiciones. De este modo se observa que que por encima de la temperatura crítica A3 los aceros están constituidos sólo por austenita y por tanto la estructura del acero dependerá de las transformaciones que sufra ésta.
  • Un eutectoide en la zona de los aceros, equivalente al eutéctivo pero en estado sólido, donde la temperatura de transformación de la austenita de 723 °C es mínima (punto crítico A1). El eutectoide contiene un 0,77 %C (13,5% de cementita), se denomina perlita y está constituido por capas alternas de ferrita y cementita siendo sus propiedades mecánicas intermedias entre las de la ferrita y la cementita.

La existencia del eutectoide permite distinguir dos tipos de aleaciones de acero:

  • Aceros hipoeutectoides (< 0,77% C). Al enfriarse por debajo de la temperatura crítica A3 comienza a precipitar la ferrita entre los granos (cristales) de austenita y al alcanzar la temperatura crítica A1 la austenita restante se transforma en perlita. Se obtiene por tanto a temperatura ambiente una estructura de cristales de perlita embebidos en una matriz de ferrita.
  • Aceros hipereutectoides (>0,77% C). Al enfriarse por debajo de la temperatura crítica se precipita el carburo de hierro resultando a temperatura ambiente cristales de perlita embebidos en una matriz de cementita.

Transformaciones isotérmicas de la austenita

Las texturas básicas descritas son las obtenidas enfriando lentamente aceros al carbono, sin embargo modificando las condiciones de enfriamiento (base de los tratamientos térmicos) es posible obtener estructuras cristalinas y, por tanto, cualidades del acero, diferentes.

Diagrama TTT (Temperatura-Tiempo-Transformación) de un acero al carbono. Por su forma también se le llama «curva de la S».

Con ése propósito se representan las transformaciones isotérmicas de la austenita en un diagrama denominado abreviadamente TTT o curva de la S. Éste puede construirse enfriando rápidamente la muestra en un baño y manteniéndola a temperatura controlada para medir el tiempo que tarda en comenzar y finalizar la transformación a dicha temperatura. En dicho diagrama se aprecian tres zonas:

  • En la zona superior se forman las estructuras perlíticas ya comentadas con anterioridad. Antaño se identificaron también la sorbita y la troostita que han resultado ser en realidad perlitas de muy pequeña distancia interlaminar por lo que dichas denominaciones han caído en desuso.
  • En la zona inferior se forma martensita. Es el constituyente típico de los aceros templados y se obtiene de forma casi instantánea al enfriar rápidamente la austenita. Es una solución sobresaturada de carbono en hierro alfa con tendencia, cuanta mayor es la cantidad de carbono, a la sustitución de la estructura cúbica centrada en el cuerpo por tetragonal centrada en el cuerpo. Tras la cementita (y los carburos de otros metales de aleación) es el constituyente más duro de los aceros.
  • Velocidades intermedias de enfriamiento dan lugar a la bainita, estructura similar a la perlita formada por agujas de ferrita y cementita pero de mayor ductilidad y resistencia que aquélla.
  • También se puede obtener austenita por enfriamiento rápido de aleaciones con elementos gammágenos (que favorecen la estabilidad del hierro γ) como el níquel y el manganeso, tal es el caso por ejemplo de los aceros inoxidables austeníticos.

Características de los aceros

Mediante ajustes en la composición y diversos tratamientos térmicos, químicos y mecánicos pueden conseguirse aceros con combinaciones de características adecuadas para infinidad de aplicaciones. Seguidamente se comentan someramente algunas de las características de interés tecnológico.

Densidad
La densidad del acero (≈7.850 kg/m³) es algo menor que la del hierro, su principal constituyente. Este elevado valor que casi triplica el del aluminio, ha conllevado la paulatina sustitución del acero en aplicaciones en las que el peso —más exactamente el ratio resistencia/peso— es un factor relevante por el incremento del consumo de combustible que conlleva, como en el caso de los vehículos y, en general, partes móviles de maquinaria. Las mejoras introducidas en el diseño mecánico y en la fabricación del acero han permitido aligerar las estructuras sin merma de su resistencia pero pese a ello, el desarrollo de aleaciones de aluminio ha desplazado al acero en la construcción aeronáutica y en vehículos de todo tipo se vienen introduciendo paneles de fibra de carbono y otros materiales plásticos compuestos. No obstante estos últimos compiten en desventaja frente al acero por su aún elevado precio.

«Buscando la luz IV». Obra de Eduardo Chillida realizada en acero Cor-Ten, ubicada en Bilbao.

Dureza
La dureza de los aceros varía entre aquélla del hierro y la que puede lograrse mediante elementos de aleación y otros procedimientos entre los cuales quizá el más conocido sea el temple, aplicable a aceros con alto contenido en carbono que permite, cuando es superficial, conservar un núcleo tenaz en la pieza que evite fracturas frágiles (véase también endurecimiento del acero). Aceros típicos con alto grado de dureza superficial son los empleados en herramientas de mecanizado denominados «aceros rápidos» que contienen cantidades significativas de cromo, wolframio, molibdeno y vanadio. Los ensayos tecnológicos para medir la dureza —resistencia a la penetración— son Brinell, Rockwell y Vickers, entre otros.

Conductividad eléctrica
El hierro, dado su carácter metálico es buen conductor de la electricidad no obstante su conductividad eléctrica es la sexta parte de la del cobre y la cuarta parte de la del aluminio. Aún así en las líneas aéreas de alta tensión se utilizan conductores de aluminio con alma de acero proporcionando éste último la resistencia mecánica necesaria para incrementar los vanos entre la torres y optimizar así el coste de la instalación.

Corrosión
Es el mayor inconveniente de los aceros ya que el hierro se oxida con suma facilidad incrementando su volumen y provocando grietas superficiales que posibilitan el progreso de la oxidación hasta que se consume la pieza por completo. Tradicionalmente los aceros se han venido protegiendo mediante tratamientos superficiales diversos, principalmente el pintado con minio, si bien se han desarrollado aleaciones con resistencia a la corrosión mejorada como los aceros de construcción «Cor-Ten» aptos para intemperie en ciertos ambientes[8] —este tipo de acero es el utilizado por los «escultores del hierro» que exponen su obra en exteriores como Eduardo Chillida, Richard Serra y otros aprovechando el característico color rojo oscuro de la patina formada—o los aceros inoxidables empleados en la industria química.

Dilatación
La dilatación del acero al incrementarse la temperatura no es, como se podrá imaginar, nada excepcional, pero se da la circunstancia de que el valor de su coeficiente de dilatación (α = 0,000012 K-1 a 20 °C) es prácticamente igual al del hormigón. Tan caprichosa coincidencia permite combinar ambos elementos para obtener hormigón armado, material compuesto que al calentarse no sufre tensiones térmicas.[9]

Referencias

Artículos relacionados


Notas

  1. El material empleado en la construcción fue hierro pudelado que por su bajo contenido en carbono (en torno a 0,05%) se clasifica con frecuencia como «hierro dulce» aunque se trate de un «acero extradulce».
  2. A mediados del siglo XX existían dos versiones del diagrama de equilibrio de los aceros. En la alemana (o europea) la composición límite de los aceros se establecía en el 1,7% de carbono mientras que en la anglo-estadounidense (o americana) el límite se establecía en el 2%. Hoy día la fracción límite de carbono en los aceros desde el punto de vista metalúrgico se establece en torno al 2,1% de carbono. Cees van de Velde. Iron Carbon diagrams over the Years. Consultado en 14 de junio de 2007. 
  3. Aproximadamente el 90% del acero comercializado es "al carbono". Ashby, Michael F., David R. H. Jones [1986]. Pergamon Press: Engineering Materials 2, Oxford, 1992. ISBN 0-08-032532-7. 
  4. Diccionario Enciclopédico Hispano-Americano, Tomo I, Montaner y Simón Editores, Barcelona, 1887. p. 265.
  5. Se estima que el contenido en hierro de la corteza terrestre es del orden del 6% en peso [1], mientras que el carbón vegetal pudo fácilmente obtenerse de las masas forestales para la elaboración del acero por el procedimiento de la forja catalana. La industrialización del acero conllevó la sustitución del carbón vegetal por el mineral cuya abundancia en la corteza terrestre se estima alrededor del 0,2% [2].
  6. Antiguamente se distinguía la fase Fe-ß con idéntica estructura cristalina que el Fe-α pero por encima de la temperatura de Curie (punto crítico A2 del diagrama de fase), es decir paramagnético a diferencia del hierro ordinario o ferrita que es ferromagnético. Hoy día no se hace tal distinción
  7. Convencionalmente al subíndice del punto crítico acompaña una letra que indica si la temperatura se ha determinado durante el enfriamiento (r, del francés refroidissement) o el calentamiento (c, del francés chauffage) ya que por fenómenos de histéresis los valores numéricos difieren. Ello también influye en la diversidad de valores que se pueden encontrar en las distintas versiones del diagrama.
  8. Como sucede con otros materiales metálicos la rápida formación de una patina de óxido continua y compacta ralentiza la oxidación ulterior de la pieza. En ambientes marinos no se recomienda su uso aunque igualmente se retarda la oxidación. En la literatura anglosajona se denomina a estos aceros weathering steels
  9. Si se sueldan dos láminas delgadas con distintos materiales y se calienta el compuesto la capa de mayor coeficiente de dilatación tratará de estirar la otra que opondrá a su vez cierta resistencia, es decir, aparecerán tensiones térmicas. El resultado final es que ambas se dilatarán por igual: la una más de lo que le correspondería y la otra menos deformándose el conjunto.
    Deformacion por tensiones térmicas.png