el mínimo especificado para el cobre no supera el 0,40%;
o el máximo especificado para cualquiera de los siguientes elementos no excede los porcentajes señalados: manganeso 1,65%; silicio 0,60%; cobre 0,60%. [1]
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]
Propiedades, características e impacto ambiental.
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.
El acero al carbono también puede contener otros elementos, como manganeso, fósforo, azufre y silicio, que pueden afectar 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.
El acero al carbono se puede proteger 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.
En ocasiones, el acero al carbono se alea con otros elementos para mejorar sus propiedades, como añadir cromo y/o níquel para mejorar su resistencia a la corrosión y oxidación o añadir molibdeno para mejorar su resistencia y tenacidad a altas temperaturas.
El acero al carbono es un material respetuoso con el medio ambiente, ya que es fácilmente reciclable y puede reutilizarse en diversas aplicaciones. Su producción también es energéticamente eficiente, ya que requiere menos energía que otros metales como el aluminio y el cobre. [3]
Tipo
Acero dulce o bajo en carbono
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 moldear. La dureza de la superficie se puede aumentar con la carburación . [4]
La densidad del acero dulce es aproximadamente 7,85 g/cm 3 (7.850 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]
Acero de alta resistencia
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.
Acero EN25 – 2,521% acero de níquel-cromo-molibdeno
acero EN26
Aceros con alto contenido de carbono
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 del 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]
clasificación AISI
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]
Acero bajo en carbono
El acero con bajo contenido de carbono tiene un contenido de carbono de 0,05 a 0,15% (acero al carbono simple). [1]
Acero de medio carbono
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. [12] [13]
Acero de alto carbono
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. [14]
Acero con alto contenido de carbono
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 .
Tratamiento térmico
Diagrama de fases hierro-carbono , que muestra los rangos de temperatura y carbono para ciertos tipos de tratamientos térmicos.
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:
Esferoidización
La esferoidita se forma cuando el acero al carbono se calienta a aproximadamente 700 °C (1300 °F) durante más de 30 horas. La esferoidita se puede formar a temperaturas más bajas, pero el tiempo necesario aumenta drásticamente, ya que se trata de un proceso controlado por difusión. El resultado es una estructura de varillas o esferas de cementita dentro de la estructura primaria (ferrita o perlita, dependiendo de en qué lado del eutectoide se encuentre). El propósito es ablandar los aceros con alto contenido de carbono y permitir una mayor conformabilidad. Esta es la forma de acero más blanda y dúctil. [15]
El acero al carbono se calienta a aproximadamente 400 °C (750 °F) durante 1 hora; esto asegura que toda la ferrita se transforme en austenita (aunque aún podría existir cementita si el contenido de carbono es mayor que el eutectoide). Luego, el acero debe enfriarse lentamente, alrededor de 20 °C (36 °F) por hora. Por lo general, simplemente se enfría en un horno, donde el horno se apaga con el acero todavía dentro. Esto da como resultado una estructura perlítica gruesa, lo que significa que las "bandas" de perlita son gruesas. [16] El acero completamente recocido es blando y dúctil , sin tensiones internas, lo que a menudo es necesario para un conformado rentable. Sólo el acero esferoidizado es más blando y dúctil. [17]
recocido de proceso
Un proceso utilizado para aliviar la tensión en un acero al carbono trabajado en frío con menos de 0,3% C. El acero generalmente se calienta a 550 a 650 °C (1000 a 1200 °F) durante 1 hora, pero a veces a temperaturas tan altas como 700 ° C (1300 °F). La imagen de arriba muestra el área de recocido del proceso.
recocido isotérmico
Es un proceso en el que el acero hipoeutectoide se calienta por encima de la temperatura crítica superior. Esta temperatura se mantiene durante un tiempo y luego se reduce por debajo de la temperatura crítica más baja y se mantiene nuevamente. Luego se enfría a temperatura ambiente. Este método elimina cualquier gradiente de temperatura.
Normalizando
El acero al carbono se calienta a aproximadamente 550 °C (1000 °F) durante 1 hora; esto asegura que el acero se transforme completamente en austenita. Luego, el acero se enfría con aire, lo que supone una velocidad de enfriamiento de aproximadamente 38 °C (100 °F) por minuto. Esto da como resultado una estructura perlítica fina y una estructura más uniforme. El acero normalizado tiene una mayor resistencia que el acero recocido; tiene una resistencia y dureza relativamente altas. [18]
El acero al carbono con al menos 0,4% en peso de C se calienta hasta temperaturas de normalización y luego se enfría (apaga) rápidamente en agua, salmuera o aceite hasta la temperatura crítica. La temperatura crítica depende del contenido de carbono, pero como regla general es menor a medida que aumenta el contenido de carbono. Esto da como resultado una estructura martensítica; una forma de acero que posee un contenido de carbono sobresaturado en una estructura cristalina cúbica centrada en el cuerpo (BCC) deformada, propiamente denominada tetragonal centrada en el cuerpo (BCT), con mucha tensión interna. Así, el acero templado es extremadamente duro pero quebradizo , normalmente demasiado quebradizo para fines prácticos. Estas tensiones internas pueden provocar grietas por tensión en la superficie. El acero templado es aproximadamente tres veces más duro (cuatro con más carbono) que el acero normalizado. [19]
El martempering no es en realidad un procedimiento de templado, de ahí el término marquenching . Es una forma de tratamiento térmico isotérmico que se aplica después de un enfriamiento inicial, generalmente en un baño de sales fundidas, a una temperatura justo por encima de la "temperatura inicial de martensita". A esta temperatura, se alivian las tensiones residuales dentro del material y se puede formar algo de bainita a partir de la austenita retenida que no tuvo tiempo de transformarse en otra cosa. En la industria, este es un proceso utilizado para controlar la ductilidad y dureza de un material. Con un endurecimiento más prolongado, la ductilidad aumenta con una pérdida mínima de resistencia; el acero se mantiene en esta solución hasta que las temperaturas interior y exterior de la pieza se igualan. Luego, el acero se enfría a una velocidad moderada para mantener el gradiente de temperatura al mínimo. Este proceso no sólo reduce las tensiones internas y las grietas por tensión, sino que también aumenta la resistencia al impacto. [20]
Este es el tratamiento térmico más común porque las propiedades finales pueden determinarse con precisión mediante la temperatura y el tiempo del templado. El templado implica recalentar el acero templado a una temperatura inferior a la temperatura eutectoide y luego enfriarlo. La temperatura elevada permite que se formen cantidades muy pequeñas de esferoidita, lo que restaura la ductilidad pero reduce la dureza. Las temperaturas y tiempos reales se eligen cuidadosamente para cada composición. [21]
El proceso de austemperado es el mismo que el martempering, excepto que el enfriamiento se interrumpe y el acero se mantiene en el baño de sal fundida a temperaturas entre 205 y 540 °C (400 y 1000 °F) y luego se enfría a un ritmo moderado. El acero resultante, llamado bainita, produce una microestructura acicular en el acero que tiene gran resistencia (pero menos que la martensita), mayor ductilidad, mayor resistencia al impacto y menos distorsión que el acero de martensita. La desventaja del austemperado es que sólo se puede utilizar en unas pocas láminas de acero y requiere un baño de sal especial. [22]
Endurecimiento de la caja
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.
^ abcdefg "Clasificación de aceros al carbono y de baja aleación". Materia total . Clave para los metales. Noviembre de 2001 . Consultado el 29 de abril de 2023 .
^ Knowles, Peter Reginald (1987), Diseño de estructuras de acero (2ª ed.), Taylor & Francis, p. 1, ISBN978-0-903384-59-9.
^ "Acero al carbono". El mercado de tuberías . Consultado el 21 de abril de 2023 .
^ ab "Acero con bajo contenido de carbono". eFunda . Consultado el 29 de abril de 2023 .
^ Elert, Glenn, Densidad del acero , consultado el 23 de abril de 2009..
^ Módulo de elasticidad, propiedades de resistencia de los metales: hierro y acero , consultado el 23 de abril de 2009.
^ "Acero 1020". barra de acero.com . 21 de mayo de 2022.
^ DeGarmo, Black y Kohser 2003, pág. 377
^ "¿Cuáles son los diferentes tipos de acero?". Exponentes de metales . 18 de agosto de 2020 . Consultado el 29 de enero de 2021 .
^ "MSDS, acero al carbono" (PDF) . Gerdau AmeriSteel. Archivado desde el original el 18 de octubre de 2006.{{cite web}}: Mantenimiento CS1: URL no apta ( enlace )
^ "Introducción al acero al carbono | Tipos, propiedades, usos y aplicaciones". MaterialesWiz . Consultado el 18 de agosto de 2022 .
^ Nishimura, Naoya; Murase, Katsuhiko; Ito, Toshihiro; Watanabe, Takeru; Nowak, romano (2012). "Detección ultrasónica de daños por desconchado inducido por impactos repetidos a baja velocidad". Revista Centroeuropea de Ingeniería . 2 (4): 650–655. Código Bib :2012CEJE....2..650N. doi : 10.2478/s13531-012-0013-5 .
^ "Acero con medio carbono". eFunda . Consultado el 29 de abril de 2023 .
^ "Acero con alto contenido de carbono". eFunda . Consultado el 29 de abril de 2023 .
^ Smith y Hashemi 2006, pág. 388
^ Alvarenga HD, Van de Putte T, Van Steenberge N, Sietsma J, Terryn H (octubre de 2014). "Influencia de la morfología y microestructura del carburo en la cinética de descarburación superficial de aceros C-Mn". Metall Mater Trans A. 46 (1): 123-133. Código Bib : 2015MMTA...46..123A. doi :10.1007/s11661-014-2600-y. S2CID 136871961.
^ Smith y Hashemi 2006, pág. 386
^ Smith y Hashemi 2006, págs. 386–387
^ Smith y Hashemi 2006, págs. 373–377
^ Smith y Hashemi 2006, págs. 389–390
^ Smith y Hashemi 2006, págs. 387–388
^ Smith y Hashemi 2006, pág. 391
^ Brady, George S.; Clauser, Henry R.; Vaccari A., John (1997). Manual de materiales (14ª ed.). Nueva York, Nueva York: McGraw-Hill. ISBN0-07-007084-9.
Bibliografía
Wikimedia Commons tiene medios relacionados con el acero al carbono .
DeGarmo, E. Paul; Negro, JT.; Kohser, Ronald A. (2003), Materiales y procesos de fabricación (9ª ed.), Wiley, ISBN 0-471-65653-4.
Oberg, E.; et al. (1996), Manual de maquinaria (25ª ed.), Industrial Press Inc, ISBN 0-8311-2599-3.
Smith, William F.; Hashemi, Javad (2006), Fundamentos de la ciencia e ingeniería de materiales (4ª ed.), McGraw-Hill, ISBN 0-07-295358-6.
