Composición del acero: elementos químicos, prácticas de aleación y especificaciones

El hierro, el carbono y la definición del acero

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.

Elementos de aleación en el acero

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.

Cómo se especifica y se indica la composición del acero

Análisis térmico y análisis de productos

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.

El equivalente de carbono como herramienta práctica

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.

Composición, propiedades y equivalencia

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.