El acero al carbono es un acero con un contenido de carbono de aproximadamente 0,05 a 2,1 por ciento en peso. La definición de acero al carbono del Instituto Americano del Hierro y el Acero (AISI) establece:
El término acero al carbono también puede usarse en referencia a acero que no es acero inoxidable ; en este uso el acero al carbono puede incluir aceros aleados . El acero con alto contenido de carbono tiene muchos usos diferentes, como fresadoras, herramientas de corte (como cinceles ) y alambres de alta resistencia. Estas aplicaciones requieren una microestructura mucho más fina, lo que mejora la tenacidad.
A medida que aumenta el porcentaje de contenido de carbono, el acero tiene la capacidad de volverse más duro y resistente mediante el tratamiento térmico ; sin embargo, se vuelve menos dúctil . Independientemente del tratamiento térmico, un mayor contenido de carbono reduce la soldabilidad . En los aceros al carbono, el mayor contenido de carbono reduce el punto de fusión. [2]
El acero al carbono a menudo se divide en dos categorías principales: acero con bajo contenido de carbono y acero con alto contenido de carbono. También puede contener otros elementos, como manganeso, fósforo, azufre y silicio, que pueden afectar a sus propiedades. El acero al carbono se puede mecanizar y soldar fácilmente, lo que lo hace versátil para diversas aplicaciones. También se puede tratar térmicamente para mejorar su resistencia, dureza y durabilidad.
El acero al carbono es susceptible a la oxidación y la corrosión, especialmente en ambientes con altos niveles de humedad y/o sal. Puede protegerse de la corrosión cubriéndolo con pintura, barniz u otro material protector. Alternativamente, se puede fabricar con una aleación de acero inoxidable que contenga cromo, lo que proporciona una excelente resistencia a la corrosión. El acero al carbono se puede alear con otros elementos para mejorar sus propiedades, como añadiendo cromo y/o níquel para mejorar su resistencia a la corrosión y oxidación o añadiendo molibdeno para mejorar su resistencia y tenacidad a altas temperaturas.
Es un material respetuoso con el medio ambiente, ya que es fácilmente reciclable y puede reutilizarse en diversas aplicaciones. Su producción es energéticamente eficiente, ya que requiere menos energía que otros metales como el aluminio y el cobre. [3]
El acero dulce (hierro que contiene un pequeño porcentaje de carbono, fuerte y resistente pero no templado fácilmente), también conocido como acero al carbono simple y acero con bajo contenido de carbono, es ahora la forma más común de acero porque su precio es relativamente bajo y proporciona propiedades del material que son aceptables para muchas aplicaciones. El acero dulce contiene aproximadamente entre un 0,05 y un 0,30 % de carbono [1], lo que lo hace maleable y dúctil. El acero dulce tiene una resistencia a la tracción relativamente baja, pero es barato y fácil de formar. La dureza de la superficie se puede aumentar con la carburación . [4]
La densidad del acero dulce es aproximadamente 7,85 g/cm 3 (7850 kg/m 3 ; 0,284 lb/cu in) [5] y el módulo de Young es 200 GPa (29 × 10 6 psi). [6]
Los aceros con bajo contenido de carbono [7] muestran un descentramiento del límite elástico donde el material tiene dos puntos elásticos . El primer límite elástico (o límite elástico superior) es más alto que el segundo y el rendimiento cae dramáticamente después del límite elástico superior. Si un acero con bajo contenido de carbono solo se esfuerza hasta algún punto entre el límite elástico superior e inferior, entonces la superficie desarrolla bandas de Lüder . [8] Los aceros con bajo contenido de carbono contienen menos carbono que otros aceros y son más fáciles de conformar en frío, lo que los hace más fáciles de manejar. [4] Las aplicaciones típicas del acero con bajo contenido de carbono son piezas de automóviles, tuberías, construcción y latas de alimentos. [9]
Los aceros de alta resistencia son aceros con bajo contenido de carbono o aceros en el extremo inferior del rango de carbono medio, [ cita necesaria ] que tienen ingredientes de aleación adicionales para aumentar su resistencia, propiedades de desgaste o específicamente resistencia a la tracción . Estos ingredientes de aleación incluyen cromo , molibdeno , silicio , manganeso , níquel y vanadio . Las impurezas como el fósforo y el azufre tienen restringido su contenido máximo permitido.
Los aceros al carbono que pueden someterse con éxito a un tratamiento térmico tienen un contenido de carbono en el rango de 0,30 a 1,70% en peso. Las trazas de impurezas de varios otros elementos pueden afectar significativamente la calidad del acero resultante. En particular, las trazas de azufre hacen que el acero sea rojo-corto , es decir, quebradizo y quebradizo a altas temperaturas de trabajo. El acero al carbono de baja aleación, como el grado A36 , contiene aproximadamente un 0,05% de azufre y se funde entre 1.426 y 1.538 °C (2.600 a 2.800 °F). [10] A menudo se añade manganeso para mejorar la templabilidad de los aceros con bajo contenido de carbono. Estas adiciones convierten el material en un acero de baja aleación según algunas definiciones, pero la definición de acero al carbono de AISI permite hasta un 1,65% de manganeso en peso. Hay dos tipos de aceros con alto contenido de carbono que son el acero con alto contenido de carbono y el acero con alto contenido de carbono. La razón del uso limitado de acero con alto contenido de carbono es que tiene una ductilidad y soldabilidad extremadamente pobres y un costo de producción más alto. Las aplicaciones más adecuadas para los aceros con alto contenido de carbono son su uso en la industria de resortes, la industria agrícola y en la producción de una amplia gama de alambres de alta resistencia. [11] [12]
El siguiente método de clasificación se basa en el estándar americano AISI/SAE . Otras normas internacionales, incluidas DIN (Alemania), GB (China), BS/EN (Reino Unido), AFNOR (Francia), UNI (Italia), SS (Suecia), UNE (España), JIS (Japón), normas ASTM y otros.
El acero al carbono se divide en cuatro clases según el contenido de carbono: [1]
El acero con bajo contenido de carbono tiene un contenido de carbono de 0,05 a 0,15% (acero al carbono simple). [1]
El acero con contenido medio de carbono tiene aproximadamente entre un 0,3% y un 0,5% de contenido de carbono. [1] Equilibra ductilidad y resistencia y tiene buena resistencia al desgaste. Se utiliza para piezas grandes, forja y componentes de automoción. [13] [14]
El acero con alto contenido de carbono tiene aproximadamente entre un 0,6 y un 1,0% de contenido de carbono. [1] Es muy fuerte y se utiliza para resortes, herramientas afiladas y alambres de alta resistencia. [15]
El acero con alto contenido de carbono tiene aproximadamente entre 1,25 y 2,0% de contenido de carbono. [1] Aceros que pueden templarse hasta alcanzar gran dureza. Se utiliza para fines especiales, como cuchillos, ejes y punzones (no industriales) . La mayoría de los aceros con más de un 2,5% de contenido de carbono se fabrican mediante pulvimetalurgia .
El propósito del tratamiento térmico del acero al carbono es cambiar las propiedades mecánicas del acero, generalmente ductilidad, dureza, límite elástico o resistencia al impacto. Tenga en cuenta que la conductividad eléctrica y térmica sólo se modifica ligeramente. Como ocurre con la mayoría de las técnicas de fortalecimiento del acero, el módulo de Young (elasticidad) no se ve afectado. Todos los tratamientos del acero comercializan ductilidad para aumentar la resistencia y viceversa. El hierro tiene una mayor solubilidad del carbono en la fase austenita ; por lo tanto, todos los tratamientos térmicos, excepto la esferoidización y el recocido de proceso, comienzan calentando el acero a una temperatura a la que pueda existir la fase austenítica. Luego, el acero se enfría (se extrae calor) a una velocidad de moderada a baja, lo que permite que el carbono se difunda fuera de la austenita formando carburo de hierro (cementita) y dejando ferrita, o a una velocidad alta, atrapando el carbono dentro del hierro, formando así martensita. . La velocidad a la que se enfría el acero a través de la temperatura eutectoide (aproximadamente 727 °C o 1341 °F) afecta la velocidad a la que el carbono se difunde fuera de la austenita y forma cementita. En términos generales, un enfriamiento rápido dejará el carburo de hierro finamente disperso y producirá una perlita de grano fino y un enfriamiento lento dará una perlita más gruesa. El enfriamiento de un acero hipoeutectoide (menos de 0,77% en peso de C) da como resultado una estructura laminar-perlítica de capas de carburo de hierro con α- ferrita (hierro casi puro) entre ellas. Si se trata de acero hipereutectoide (más de 0,77% en peso de C), entonces la estructura es perlita completa con pequeños granos (más grandes que la laminilla de perlita) de cementita formados en los límites de los granos. Un acero eutectoide (0,77% de carbono) tendrá una estructura de perlita en todos los granos sin cementita en los límites. Las cantidades relativas de constituyentes se encuentran usando la regla de la palanca . La siguiente es una lista de los tipos de tratamientos térmicos posibles:
Los procesos de cementación endurecen sólo el exterior de la pieza de acero, creando una piel dura y resistente al desgaste (la "carcasa") pero preservando un interior resistente y dúctil. Los aceros al carbono no son muy endurecibles, lo que significa que no se pueden endurecer en secciones gruesas. Los aceros aleados tienen una mejor templabilidad, por lo que pueden endurecerse completamente y no requieren cementación. Esta propiedad del acero al carbono puede ser beneficiosa porque le da a la superficie buenas características de desgaste pero deja el núcleo flexible y amortiguador.
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