Acero al carbono: definición, composición y propiedades principales
Descubre qué es el acero al carbono: definición, composición (Fe+C, Mn, Si, Cu) y propiedades clave — dureza, resistencia, ductilidad y aplicaciones.
El acero al carbono es una aleación de metales formada principalmente por hierro y carbono. Otros elementos suelen estar presentes en trazas y, en el caso del acero al carbono según las definiciones estándares, los únicos elementos adicionales permitidos en cantidades que no alteren significativamente sus propiedades son: el manganeso (hasta 1,65%), el silicio (hasta 0,60%) y el cobre (hasta 0,60%).
Composición y clasificación
La cantidad de contenido en carbono determina las características principales del acero al carbono y suele utilizarse para clasificarlo en tres grandes grupos:
- Bajo carbono (aprox. 0,05–0,25% C): blando, dúctil y fácil de conformar y soldar; tiene propiedades semejantes al hierro forjado.
- Medio carbono (aprox. 0,25–0,60% C): equilibrio entre resistencia y ductilidad; puede tratarse térmicamente para aumentar la dureza y la resistencia.
- Alto carbono (aprox. 0,60–1,0% C y superiores): mayor dureza y resistencia a la abrasión, pero menor dúctil y más difícil de soldar. Estos aceros responden bien a tratamientos térmicos como el temple y revenido.
Microestructura
La microestructura típica del acero al carbono está formada por fases como la ferrita, la perlita y, en contenidos altos de carbono o tras ciertos tratamientos, cementita. La proporción de esas fases cambia con la composición y el tratamiento térmico, y es la responsable directa de las propiedades mecánicas del material.
Propiedades principales
- Resistencia y dureza: aumentan con el contenido de carbono y con tratamientos térmicos adecuados (por ejemplo, temple).
- Ductilidad y tenacidad: disminuyen al aumentar el carbono; los aceros de bajo carbono son más dúctiles y tenaces.
- Soldabilidad: los aceros con bajo contenido de carbono se sueldan con mayor facilidad; a partir de contenidos de carbono medios y altos aumenta el riesgo de formación de estructuras frágiles y de fisuración en la zona afectada por el calor.
- Mecanizabilidad: buena en aceros al carbono promedio; mejora o empeora según la microestructura y la presencia de sulfuro u otros aditivos en aceros comerciales.
- Punto de fusión y comportamiento térmico: un mayor contenido de carbono tiende a reducir ligeramente el punto de fusión y puede disminuir la resistencia a temperaturas elevadas.
Tratamientos térmicos
El acero al carbono puede someterse a varias operaciones térmicas para ajustar sus propiedades: recocido (ablanda y mejora la conformabilidad), normalizado (refina la microestructura), temple (aumenta dureza y resistencia) y revenido (reduce fragilidad tras el temple). La respuesta al tratamiento depende fuertemente del porcentaje de carbono.
Aplicaciones típicas
Debido a su versatilidad y coste relativamente bajo, el acero al carbono se usa en numerosas aplicaciones: estructuras y perfiles (bajo carbono), ejes y componentes sometidos a esfuerzos (medio carbono), herramientas de corte y muelles (alto carbono), piezas automotrices, herrajes, tornillería y elementos de construcción.
Consideraciones prácticas
- Para seleccionar un acero al carbono es importante conocer el porcentaje de carbono, la presencia de impurezas y la historia de tratamiento térmico.
- La protección frente a la corrosión (pintura, galvanizado, recubrimientos) suele ser necesaria en ambientes agresivos, ya que el acero al carbono no es inherentemente resistente a la corrosión atmosférica.
- Normas y designaciones (por ejemplo, EN, ASTM) especifican composiciones y propiedades mecánicas para diferentes calidades de acero al carbono; consulte la norma aplicable según la industria y la región.
En resumen, el acero al carbono es una familia de materiales donde pequeñas variaciones en el contenido de carbono y en los tratamientos térmicos producen cambios significativos en comportamiento mecánico y prestaciones, lo que permite su adaptación a una gran variedad de usos industriales.
Tipos de acero al carbono
Las composiciones típicas del carbono son:
- Acero dulce (bajo en carbono): aproximadamente entre el 0,05% y el 0,25% de carbono con un contenido de manganeso de hasta el 0,4% (por ejemplo, el acero AISI 1018). Menos resistente, pero barato y fácil de moldear; la dureza de la superficie puede aumentarse mediante carburación.
- Acero de carbono medio: aproximadamente del 0,14% al 0,84% de carbono con un contenido de manganeso del 0,60 al 1,65% (por ejemplo, el acero AISI 1040). Equilibra la ductilidad y la fuerza y tiene una buena resistencia al desgaste; se utiliza para piezas grandes, forja y piezas de automóvil.
- Acero de alto contenido en carbono: aproximadamente del 0,59% al 0,65% de carbono con un contenido de manganeso del 0,30 al 0,90%. Muy resistente, se utiliza para muelles y alambres de alta resistencia.
- Acero de muy alto contenido en carbono: aproximadamente del 0,96% al 2,1% de carbono, especialmente procesado para producir microestructuras atómicas y moleculares específicas.
El acero puede tratarse térmicamente, lo que permite fabricar piezas en un estado blando fácilmente vadeable. Si hay suficiente carbono, la aleación puede endurecerse para aumentar la fuerza, el desgaste y la resistencia al impacto. Los aceros suelen forjarse mediante métodos de trabajo en frío, que consiste en dar forma al metal mediante la deformación a una temperatura baja de equilibrio o metaestable.
Metalurgia
El acero dulce es el más común, ya que su precio es relativamente bajo y sus propiedades son aceptables para muchas aplicaciones. El acero dulce tiene un bajo contenido de carbono (hasta el 0,3%) y, por tanto, no es extremadamente frágil ni dúctil. Se vuelve maleable cuando se calienta, por lo que puede forjarse. También se utiliza a menudo cuando hay que formar grandes cantidades de acero, por ejemplo, como acero estructural. La densidad de este metal es de 7861,093 kg/m³ (0,284 lb/in³) y la resistencia a la tracción es de un máximo de 500 MPa (72500 psi)
Los aceros al carbono que pueden someterse con éxito a un tratamiento térmico tienen un contenido de carbono que oscila entre el 0,30% y el 1,70% en peso. Las trazas de impurezas de otros elementos pueden tener un efecto significativo en la calidad del acero resultante. Las trazas de azufre hacen que el acero sea "rojo-corto", lo que supone un defecto: el acero es frágil y desmenuzable. Los aceros al carbono de baja aleación, como el grado A36, contienen aproximadamente un 0,05% de azufre y se funden alrededor de 1426-1538 °C (2600-2800 °F). A menudo se añade manganeso para mejorar la templabilidad de los aceros de bajo 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.
El acero endurecido suele referirse al acero templado o al templado y revenido.
El acero plateado o acero brillante con alto contenido de carbono, recibe su nombre por su aspecto, debido al alto contenido de carbono. Es un acero de muy alto contenido en carbono, o puede considerarse como uno de los mejores aceros de alto contenido en carbono. Se define bajo las normas de especificación del acero BS-1407. Se trata de un acero para herramientas con un 1% de carbono que puede rectificarse con tolerancias estrechas. Por lo general, el rango de carbono es de un mínimo del 1,10% pero llega hasta el 1,20%. También contiene elementos traza de 0,35% de Mn (rango 0,30%-0,40%), 0,40% de Cr (rango 0,4%-0,5%), 0,30% de Si (rango 0,1%-0,3%), y a veces también azufre (máximo 0,035%) y fósforo (máximo 0,035%). El acero plateado se utiliza a veces para fabricar navajas de afeitar, debido a su capacidad para producir y mantener un filo microfino.
Tratamientos térmicos
El objetivo del tratamiento térmico del acero al carbono es modificar las propiedades mecánicas del acero, normalmente la ductilidad, la dureza, el límite elástico y la resistencia al impacto.
Diagrama de fases hierro-carbono, que muestra los rangos de temperatura y carbono para ciertos tipos de tratamientos térmicos.
Preguntas y respuestas
P: ¿Qué es el acero al carbono?
R: El acero al carbono es una aleación metálica compuesta por dos elementos: hierro y carbono.
P: ¿Hay otros elementos que puedan estar presentes en el acero al carbono?
R: Sí, otros elementos como el manganeso (1,65% máx.), el silicio (0,60% máx.) y el cobre (0,60% máx.) pueden estar presentes en pequeñas cantidades.
P: ¿Qué propiedades tiene el acero sin alear con bajo contenido en carbono?
R: El acero sin alear con bajo contenido en carbono tiene las mismas propiedades que el hierro: es blando y fácil de moldear.
P: ¿Cómo afecta la adición de carbono a las propiedades del acero al carbono?
R: La adición de más carbono hace que el metal gane dureza y resistencia, pero se vuelve menos dúctil y más difícil de soldar.
P: ¿Existe un límite en la cantidad de manganeso que puede contener el acero al carbono?
R: Sí, la cantidad máxima de manganeso que puede contener el acero al carbono es del 1,65%.
P: ¿Un mayor contenido de carbono afecta al punto de fusión del acero?
R: Sí, un mayor contenido de carbono reduce el punto de fusión del acero.
P: ¿Un mayor contenido de carbono afecta a la resistencia a la temperatura del acero en general?
R: Sí, un mayor contenido de carbono también reduce la resistencia a la temperatura del acero en general.
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