La composición química de un acero es su característica más fundamental. Todas las decisiones posteriores al proceso de fabricación del acero —cómo responderá un material al tratamiento térmico, si se puede soldar sin precalentamiento, si resistirá la corrosión en un entorno determinado o cómo se comportará a bajas temperaturas— se remontan a su composición. Para los ingenieros en activo, leer un certificado de composición es algo habitual; comprender qué función desempeña cada elemento y por qué está presente es lo que hace que esa lectura resulte útil.
El acero es una aleación a base de hierro en la que el carbono es el principal elemento de aleación. El carbono se disuelve en la red cristalina del hierro y, dependiendo del tratamiento térmico, se distribuye de formas que dan lugar a una amplia variedad de microestructuras y propiedades mecánicas. El límite superior de carbono para el acero se considera generalmente del 2,1 % en peso; por encima de este valor, la aleación se solidifica con carburos primarios y se clasifica como hierro fundido, con características de procesamiento fundamentalmente diferentes.
Dentro de la gama de aceros, el contenido en carbono es la variable principal que determina la respuesta al tratamiento térmico. Los aceros con bajo contenido en carbono son tenaces y soldables, pero no se endurecen de forma significativa. Las calidades con alto contenido en carbono alcanzan una dureza y una resistencia elevadas tras el temple, pero se vuelven cada vez más difíciles de soldar y más sensibles a la fractura frágil si los procedimientos térmicos no se controlan cuidadosamente.
Además del carbono, la mayoría de los aceros comerciales contienen elementos adicionales que se añaden de forma intencionada para conseguir resultados metalúrgicos específicos. La selección y el equilibrio de estos elementos es lo que diferencia un acero estructural blando de un acero inoxidable dúplex, un acero de grado criogénico o un acero para recipientes a presión resistente a la fluencia.
El manganeso está presente en prácticamente todos los grados comerciales. Actúa como desoxidante durante la fabricación del acero, mejora la templabilidad y se combina con el azufre para formar sulfuro de manganeso, que es considerablemente menos perjudicial para las propiedades que el sulfuro de hierro. El cromo, en concentraciones superiores a aproximadamente el 10,5 % en peso, forma la película de óxido pasiva que confiere a los aceros inoxidables su resistencia a la corrosión; en concentraciones más bajas, contribuye a la templabilidad y a la resistencia al desgaste. El níquel mejora la tenacidad y la resistencia al impacto a bajas temperaturas y bajo cero, lo que lo convierte en el componente esencial en los aceros destinados a aplicaciones criogénicas y en entornos árticos. El molibdeno aumenta la resistencia a altas temperaturas y la resistencia a la fluencia, y es un componente estándar en los aceros para recipientes a presión y para instalaciones que operan a temperaturas elevadas. El vanadio y el niobio, eficaces en concentraciones muy bajas, son refinadores de grano y endurecedores por precipitación; son los elementos característicos de los modernos aceros de alta resistencia y baja aleación (HSLA), en los que se logran aumentos significativos de la resistencia sin elevar el contenido de carbono. El silicio sirve principalmente como desoxidante, aunque en concentraciones más elevadas se utiliza para ajustar las propiedades magnéticas en los aceros eléctricos.
El fósforo y el azufre también están presentes en todos los aceros, no como aditivos intencionados, sino como impurezas del proceso procedentes de las materias primas. Ambos elementos deterioran las propiedades mecánicas cuando superan los niveles traza y se controlan dentro de unos límites máximos definidos en todas las calidades técnicas. Las prácticas modernas de fabricación de acero mantienen estos elementos en niveles lo suficientemente bajos como para que su efecto sobre las propiedades sea insignificante en la gran mayoría de las aplicaciones.
La tabla que figura a continuación resume estos elementos, sus funciones y los rangos de composición habituales en la práctica comercial.
Tabla 1. Elementos principales de la composición del acero, sus funciones y rangos indicativos de porcentaje en peso. Los valores reflejan la práctica comercial habitual; los límites de las especificaciones vienen definidos por la norma aplicable al producto.
Elemento
Función
Intervalo típico (% en peso)
Carbono (C)
Elemento de refuerzo principal; determina la dureza y la respuesta al tratamiento térmico
Hasta un 2,1
Manganeso (Mn)
Desoxidante; mejora la templabilidad y la trabajabilidad en caliente
De 0,25 a 1,65
Cromo (Cr)
Resistencia a la corrosión en concentraciones elevadas; templabilidad en concentraciones más bajas
De 0,5 a 2,0 (aceros aleados); 10,5+ (acero inoxidable)
Níquel (Ni)
Tenacidad y resistencia al impacto, especialmente a bajas temperaturas
De 0,5 a 9,0
Molibdeno (Mo)
Resistencia a altas temperaturas y resistencia a la fluencia
De 0,15 a 1,0
Vanadio (V)
Refinamiento del grano y endurecimiento por precipitación
De 0,03 a 0,15
Niobio (Nb)
Refinamiento del grano; retrasa la recristalización de la austenita durante el laminado
De 0,02 a 0,08
Silicio (Si)
Desoxidante; refuerzo por solución sólida
0,15 a 0,35
Fósforo (P)
Impureza: reduce la ductilidad en todo el espesor por encima de niveles traza
Máx. 0,040 (la mayoría de los grados)
Azufre (S)
Impureza: perjudica la vida a fatiga y las propiedades a lo largo del espesor
La composición del acero se determina en dos fases de la producción. El análisis de la colada, también denominado análisis de la cuchara, se realiza a partir del acero fundido durante la fusión o inmediatamente después de ella, y representa la composición de la colada en su conjunto. El análisis del producto se realiza a partir del producto laminado o forjado acabado. Dado que los elementos pueden segregarse durante la solidificación, el análisis del producto puede diferir ligeramente del análisis de la colada, y las normas del producto definen la desviación permitida entre ambos. Ambos análisis se recogen en el certificado de ensayo del material que acompaña al producto.
Para los ingenieros encargados de verificar el material recibido, el certificado de composición es el documento principal. Compararlo con la tabla de composición de la norma aplicable, elemento por elemento, es un paso sencillo pero importante en la homologación de materiales.
Dado que varios elementos de aleación influyen en el comportamiento del acero de forma cualitativamente similar al carbono, en ingeniería de soldadura se utiliza un parámetro combinado denominado «equivalente de carbono» (CE) para evaluar los requisitos de precalentamiento y el riesgo de agrietamiento inducido por hidrógeno. La versión más extendida combina el carbono con las contribuciones ponderadas del manganeso, el cromo, el molibdeno, el vanadio, el níquel y el cobre. El CE se calcula directamente a partir del certificado de composición y constituye uno de los usos prácticos más habituales de los datos de composición para los ingenieros que se dedican a la fabricación y a la cualificación de procedimientos de soldadura.
Por lo general, un acero con un CE bajo puede soldarse sin precalentamiento en secciones de tamaño moderado. A medida que aumenta el CE, el precalentamiento se vuelve necesario para ralentizar la velocidad de enfriamiento en la zona afectada por el calor y reducir el riesgo de fisuración. Las temperaturas específicas de precalentamiento requeridas para un CE y un espesor de sección determinados se recogen en las normas de soldadura y constituyen un tema que se abordará en las guías de ingeniería de Total Materia, donde la metalurgia de la soldadura se trata en el contexto práctico de la selección de calidades y la planificación de la fabricación.
La composición define el potencial de un acero; el procesamiento térmico y mecánico determina en qué punto de ese potencial se sitúa el producto acabado. La composición es también la base principal para evaluar si dos calidades de normas nacionales diferentes son realmente equivalentes. La coincidencia de nombres entre una calidad ASTM y una EN no es un indicador fiable de la verdadera equivalencia; sí lo es una comparación directa de los límites de composición y los requisitos de propiedades mecánicas.
Este artículo aborda los elementos químicos que definen un acero y cómo se especifica y se indica su composición. Las guías relacionadas de la serie «Acero» se basan en él. «Propiedades del acero» explica el comportamiento mecánico y físico que producen la composición y el procesamiento, mientras que «Calidades de acero» muestra cómo se organizan las composiciones en las familias que se especifican y se compran. «Especificaciones y normas del acero» aborda los documentos y marcos normativos que establecen los límites de composición y propiedades, y «Equivalencias del acero» explica cómo se utiliza la composición para determinar si los grados de distintos sistemas son realmente intercambiables. En conjunto, relacionan la composición con las propiedades, los grados, las especificaciones, las normas y las equivalencias que dependen de ella.
La composición del acero es la especificación de todos los elementos presentes en una aleación de acero, expresada en porcentaje en peso. El hierro es el metal base y el carbono es el principal elemento de aleación, presente en una proporción de hasta el 2,1 % en peso. Se añaden de forma intencionada elementos adicionales como el manganeso, el cromo, el níquel, el molibdeno, el vanadio y el niobio, mientras que el fósforo y el azufre están presentes como impurezas controladas.
El carbono influye más en el comportamiento del acero que cualquier otro elemento por sí solo. Determina la dureza, la resistencia a la tracción, la respuesta al tratamiento térmico y la soldabilidad. A medida que aumenta el carbono, la resistencia aumenta, pero la ductilidad y la soldabilidad disminuyen.
El equivalente de carbono es un valor calculado que combina el carbono con las contribuciones ponderadas de otros elementos de aleación. Los ingenieros de soldadura lo utilizan para evaluar los requisitos de precalentamiento y el riesgo de fisuración inducida por hidrógeno, y se deriva directamente del certificado de composición. En las guías técnicas de Total Materia se ofrecerá información detallada al respecto.
El análisis de la colada se realiza a partir del acero fundido y refleja la composición de toda la colada. El análisis del producto se realiza a partir del producto acabado y puede presentar ligeras diferencias debido a la segregación durante la solidificación. Ambos se recogen en el certificado de ensayo del material y se comparan con los límites definidos en la norma de acero aplicable.
Los elementos de aleación se añaden al acero para conseguir propiedades mecánicas, físicas y de resistencia a la corrosión específicas. El carbono aumenta la dureza y la resistencia; el manganeso mejora la templabilidad; el cromo mejora la resistencia a la corrosión y al desgaste; el níquel mejora la tenacidad; el molibdeno aumenta la resistencia a altas temperaturas; y el vanadio y el niobio refinan la estructura del grano y aumentan la resistencia. La combinación y el equilibrio de estos elementos determinan el rendimiento final de un tipo de acero.