Gracias a sus propiedades, el acero es, sin duda, el material de ingeniería y construcción más importante del mundo. Su atractivo radica en una combinación poco común: es resistente a la vez que maleable, duradero y económico, y su comportamiento puede adaptarse a un amplio abanico de aplicaciones modificando su composición y su proceso de fabricación. Entre las propiedades más valiosas del acero se encuentran su excelente conformabilidad y durabilidad, su buena resistencia a la tracción y al límite elástico, y su buena conductividad térmica, mientras que en los aceros inoxidables la propiedad que los define es la resistencia a la corrosión.
Las propiedades del acero suelen agruparse en unas pocas categorías generales. Las propiedades mecánicas describen cómo responde el acero a las fuerzas aplicadas e incluyen la resistencia, la ductilidad, la dureza y la tenacidad. Las propiedades físicas son intrínsecas al material e incluyen la densidad, la conductividad térmica y el módulo de elasticidad. Las propiedades tecnológicas, como la soldabilidad, la maquinabilidad y la conformabilidad, describen la facilidad con la que el acero puede transformarse en una pieza acabada. Este texto se centra en las propiedades mecánicas y físicas que suelen ser determinantes a la hora de seleccionar un material.
A la hora de elegir un material para una aplicación concreta, los ingenieros deben tener la certeza de que este resistirá las condiciones de carga y los retos ambientales a los que se enfrentará durante su vida útil. Por lo tanto, es esencial comprender y controlar claramente las propiedades del material, ya que un acero con especificaciones insuficientes puede fallar durante su vida útil, mientras que uno con especificaciones excesivas supone un coste y un peso innecesarios.
Lo que hace que el acero sea un material excepcional es el grado en que se pueden modificar sus propiedades mecánicas. Una misma composición básica puede ser blanda y altamente conformable en unas condiciones, y extremadamente dura y resistente en otras, dependiendo del proceso de fabricación y del tratamiento térmico aplicado. Estos tratamientos actúan modificando la microestructura del acero, es decir, la disposición y el tipo de fases internas, como la ferrita, la perlita, la bainita y la martensita. Aumentar el contenido de carbono, por ejemplo, eleva la resistencia y la dureza, pero reduce la ductilidad y la soldabilidad, mientras que los tratamientos térmicos como el recocido, el temple y el revenido redistribuyen la microestructura para favorecer bien la tenacidad, bien la dureza. Dado que estas variables interactúan entre sí, es necesario realizar ensayos para confirmar las propiedades finales del acero y verificar que cumple con las normas pertinentes.
Las distintas pruebas permiten evaluar diferentes propiedades mecánicas, y cada una de ellas aporta al ingeniero información específica sobre el comportamiento de un acero.
El ensayo de tracción evalúa cómo responde estructuralmente el acero a las cargas aplicadas, y los resultados se expresan en forma de curva de tensión-deformación. Esa única curva proporciona varias propiedades clave. El tramo recto inicial representa la deformación elástica (recuperable), y su pendiente es el módulo de Young, una medida de la rigidez. El punto en el que el material comienza a deformarse de forma permanente es el límite elástico, el valor de diseño más utilizado, ya que la mayoría de los componentes no deben deformarse plásticamente durante su uso. La tensión máxima que puede soportar el acero es su resistencia a la tracción máxima, mientras que la cantidad en que se alarga antes de la rotura, expresada como porcentaje de alargamiento, indica su ductilidad.
La relación entre tensión y deformación en la zona elástica, el módulo de Young, es una de las propiedades más características del acero. En el caso del acero, se sitúa en el intervalo de 190 a 210 GPa, aproximadamente tres veces el valor del aluminio. Esta elevada rigidez es una de las principales razones por las que se elige el acero para estructuras en las que es necesario limitar la deflexión y, cabe destacar, varía muy poco entre los distintos tipos de acero, aunque su resistencia pueda variar enormemente.
La dureza mide la resistencia del acero a la deformación superficial localizada y se evalúa presionando un penetrador duro contra la superficie y midiendo la huella resultante. Las escalas más comunes —Brinell, Rockwell y Vickers— utilizan cada una un penetrador y una carga diferentes, y la dureza suele guardar una correlación útil con la resistencia a la tracción y la resistencia al desgaste, por lo que constituye un método de control de calidad rápido y muy utilizado.
La tenacidad, por el contrario, describe la energía que un acero puede absorber antes de fracturarse, especialmente bajo un impacto repentino. Se mide habitualmente mediante ensayos de impacto, como el ensayo de Charpy. La tenacidad es especialmente importante porque muchos aceros se vuelven frágiles a bajas temperaturas, un fenómeno conocido como transición de dúctil a frágil. Comprender esta transición es fundamental para las estructuras que funcionan en entornos fríos, donde un acero que normalmente es tenaz podría fallar de forma repentina.
Muchos componentes no fallan bajo una única carga elevada, sino bajo cargas cíclicas repetidas y más pequeñas a lo largo del tiempo, un proceso denominado fatiga. El acero destaca por el hecho de que muchos de sus grados presentan un límite de fatiga o de resistencia, es decir, una tensión por debajo de la cual pueden soportar ciclos de carga prácticamente ilimitados sin fallar. Esta propiedad es fundamental para el diseño de ejes giratorios, ejes de transmisión, muelles y otros componentes sometidos a tensiones cíclicas continuas.
Las propiedades físicas del acero están relacionadas con los principios físicos fundamentales del material, entre los que se incluyen la densidad, la conductividad térmica, el módulo de elasticidad y el coeficiente de Poisson. A diferencia de las propiedades mecánicas, estas vienen determinadas en gran medida por la base de hierro y varían solo ligeramente entre los distintos grados, lo que hace que los valores típicos que se indican a continuación sean puntos de partida fiables para los cálculos de diseño.
Los rangos más amplios de conductividad térmica y dilatación térmica reflejan la influencia de las aleaciones: los aceros de alta aleación, como los aceros inoxidables austeníticos, conducen el calor con menor facilidad y se dilatan más que los aceros al carbono sin alear, lo que tiene consecuencias prácticas para la soldadura, el tratamiento térmico y los componentes expuestos a cambios de temperatura.
Si bien la resistencia y la rigidez son factores determinantes a la hora de seleccionar los aceros estructurales, la resistencia a la corrosión es la propiedad que define a los aceros inoxidables. Esta resistencia se debe a un contenido mínimo de cromo de alrededor del 10,5 %, que reacciona con el oxígeno para formar una capa de óxido de cromo fina, adherente y autorreparable, conocida como película pasiva. Si la superficie se raya, esta película se regenera en presencia de oxígeno, lo que permite que el acero inoxidable se proteja a sí mismo a lo largo de toda su vida útil. Las adiciones de elementos como el níquel y el molibdeno mejoran aún más la resistencia en entornos específicos, razón por la cual los aceros inoxidables se especifican para aplicaciones que van desde el procesamiento de alimentos hasta el sector marítimo y químico.
Este artículo aborda las propiedades mecánicas y físicas que determinan el comportamiento del acero en servicio. Las demás guías de la serie «Acero» tratan sobre el origen de dichas propiedades y cómo se definen. «Composición del acero» explica cómo los elementos químicos del acero determinan sus propiedades potenciales, y «Calidades de acero» muestra cómo se clasifican los materiales en las familias que se especifican y se adquieren. «Especificaciones del acero» y «Normas del acero» tratan sobre los documentos y marcos normativos que establecen los límites de propiedades y composición, mientras que «Equivalentes del acero» explica cómo se comparan las propiedades a la hora de equiparar calidades entre diferentes sistemas. En conjunto, relacionan el comportamiento con la composición, la clasificación y las normas en las que se basa.
Las propiedades del acero se clasifican generalmente en propiedades mecánicas (como la resistencia, la dureza, la ductilidad y la tenacidad), propiedades físicas (como la densidad, la conductividad térmica y el módulo de elasticidad) y propiedades tecnológicas (como la soldabilidad, la maquinabilidad y la conformabilidad).
El límite elástico es la tensión a la que el acero comienza a deformarse de forma permanente, y es el valor que se utiliza con mayor frecuencia en el diseño. La resistencia máxima a la tracción es la tensión máxima que el acero puede soportar antes de que comience a fallar. Un ensayo de tracción mide ambos valores, junto con la ductilidad y la rigidez.
El módulo de Young refleja la rigidez de la red atómica del hierro, que no se ve alterada de forma significativa por la aleación ni por el tratamiento térmico. Se sitúa de forma constante entre 190 y 210 GPa en prácticamente todos los tipos de acero para ingeniería. Esto significa que el comportamiento de flexión bajo carga elástica es independiente del tipo de acero, lo que simplifica considerablemente el diseño estructural.
Se controlan mediante la composición química, el proceso de fabricación y el tratamiento térmico, factores que determinan la microestructura final. Por ejemplo, al aumentar el contenido de carbono se incrementa la resistencia y la dureza, pero se reduce la ductilidad, mientras que los tratamientos térmicos, como el recocido, el temple y el revenido, ajustan el equilibrio entre la dureza y la tenacidad.
El acero inoxidable contiene al menos un 10,5 % de cromo, que forma en la superficie una fina película pasiva de óxido de cromo capaz de autorrepararse. Esta película protege continuamente el metal subyacente, y elementos como el níquel y el molibdeno pueden mejorar la resistencia en entornos más agresivos.