Acero

El acero es una aleación hecha de hierro con típicamente unas pocas décimas de un porcentaje de carbono para mejorar su fuerza y ​​resistencia a la fractura en comparación con otras formas de hierro. Muchos otros elementos pueden estar presentes o agregados. Los aceros inoxidables que son resistentes a la corrosión y la oxidación normalmente necesitan un 11 % adicional de cromo. Debido a su alta resistencia a la tracción y bajo costo, el acero se usa en edificios, infraestructura, herramientas, barcos, trenes, automóviles, máquinas, aparatos eléctricos, armas y cohetes. El hierro es el metal base del acero. Dependiendo de la temperatura, puede adoptar dos formas cristalinas (formas alotrópicas): cúbica centrada en el cuerpo y cúbica centrada en las caras. La interacción de los alótropos del hierro con los elementos de aleación, principalmente el carbono, le da al acero y al hierro fundido su variedad de propiedades únicas.

En el hierro puro, la estructura cristalina tiene relativamente poca resistencia a que los átomos de hierro se deslicen entre sí, por lo que el hierro puro es bastante dúctil o blando y se forma fácilmente. En el acero, pequeñas cantidades de carbono, otros elementos e inclusiones dentro del hierro actúan como agentes endurecedores que evitan el movimiento de las dislocaciones. El carbono en las aleaciones de acero típicas puede aportar hasta un 2,14 % de su peso. Variar la cantidad de carbono y muchos otros elementos de aleación, así como controlar su composición química y física en el acero final (ya sea como elementos solutos o como fases precipitadas), impide el movimiento de las dislocaciones que hacen que el hierro puro sea dúctil y, por lo tanto, controla y potencia sus cualidades. Estas cualidades incluyen la dureza, el comportamiento de temple, la necesidad de recocido, el comportamiento de revenido, el límite elástico, y resistencia a la tracción del acero resultante. El aumento de la resistencia del acero en comparación con el hierro puro solo es posible reduciendo la ductilidad del hierro.

El acero se produjo en hornos de floración durante miles de años, pero su uso industrial a gran escala comenzó solo después de que se idearon métodos de producción más eficientes en el siglo XVII, con la introducción del alto horno y la producción de acero al crisol. A esto le siguió el horno de hogar abierto y luego el proceso Bessemer en Inglaterra a mediados del siglo XIX. Con la invención del proceso Bessemer, comenzó una nueva era de acero producido en masa. El acero dulce reemplazó al hierro forjado. Los estados alemanes vieron una gran destreza del acero en Europa en el siglo XIX.

Otros refinamientos en el proceso, como la fabricación de acero con oxígeno básico (BOS), reemplazaron en gran medida a los métodos anteriores al reducir aún más el costo de producción y aumentar la calidad del producto final. Hoy en día, el acero es uno de los materiales más comúnmente fabricados en el mundo, con más de 1600 millones de toneladas producidas anualmente. El acero moderno generalmente se identifica por varios grados definidos por una variedad de organizaciones de estándares. La industria siderúrgica moderna es una de las industrias manufactureras más grandes del mundo, pero es una de las industrias con mayor emisión de energía y gases de efecto invernadero, contribuyendo con el 8 % de las emisiones globales. Sin embargo, el acero también es muy reutilizable: el acero es uno de los materiales más reciclados del mundo, con una tasa de reciclaje de más del 60 % a nivel mundial.

Definiciones y materiales relacionados

El sustantivo acero proviene del adjetivo protogermánico stahliją o stakhlijan 'hecho de acero', que está relacionado con stahlaz o stahliją 'firme'.

El contenido de carbono del acero está entre el 0,002 % y el 2,14 % en peso para el acero al carbono simple (aleaciones de hierro y carbono). Muy poco contenido de carbono deja el hierro (puro) bastante blando, dúctil y débil. Los contenidos de carbono más altos que los del acero forman una aleación quebradiza comúnmente llamada arrabio. El acero aleado es acero al que se le han agregado intencionalmente otros elementos de aleación para modificar las características del acero. Los elementos de aleación comunes incluyen: manganeso, níquel, cromo, molibdeno, boro, titanio, vanadio, tungsteno, cobalto y niobio. Elementos adicionales, considerados indeseables con mayor frecuencia, también son importantes en el acero: fósforo, azufre, silicio y trazas de oxígeno, nitrógeno y cobre.

Las aleaciones simples de carbono y hierro con un contenido de carbono superior al 2,1% se conocen como hierro fundido. Con las técnicas modernas de fabricación de acero, como la formación de polvo metálico, es posible fabricar aceros con un alto contenido de carbono (y otros materiales de aleación), pero no son comunes. El hierro fundido no es maleable incluso cuando está caliente, pero puede formarse por fundición ya que tiene un punto de fusión más bajo que el acero y buenas propiedades de moldeabilidad. Ciertas composiciones de hierro fundido, aunque retienen las economías de fusión y fundición, pueden tratarse térmicamente después de la fundición para fabricar objetos de hierro maleable o de hierro dúctil. El acero se distingue del hierro forjado (ahora en gran parte obsoleto), que puede contener una pequeña cantidad de carbono pero grandes cantidades de escoria.

Propiedades materiales

Orígenes y producción

El hierro se encuentra comúnmente en la corteza terrestre en forma de un mineral, generalmente un óxido de hierro, como la magnetita o la hematita. El hierro se extrae del mineral de hierro eliminando el oxígeno a través de su combinación con un socio químico preferido, como el carbono, que luego se pierde en la atmósfera como dióxido de carbono. Este proceso, conocido como fundición, se aplicó por primera vez a metales con puntos de fusión más bajos, como el estaño, que se funde a unos 250 °C (482 °F), y el cobre, que se funde a unos 1100 °C (2010 °F). y la combinación, bronce, que tiene un punto de fusión inferior a 1083 °C (1981 °F). En comparación, el hierro fundido se funde a unos 1375 °C (2507 °F).Pequeñas cantidades de hierro se fundieron en la antigüedad, en estado sólido, calentando el mineral en un fuego de carbón y luego soldando los grumos con un martillo y en el proceso exprimiendo las impurezas. Con cuidado, el contenido de carbono podría controlarse moviéndolo en el fuego. A diferencia del cobre y el estaño, el hierro líquido o sólido disuelve el carbono con bastante facilidad.

Todas estas temperaturas se podían alcanzar con métodos antiguos utilizados desde la Edad del Bronce. Dado que la tasa de oxidación del hierro aumenta rápidamente más allá de los 800 °C (1470 °F), es importante que la fundición se lleve a cabo en un entorno con poco oxígeno. La fundición, que usa carbón para reducir los óxidos de hierro, da como resultado una aleación (arrabio) que retiene demasiado carbón para llamarse acero. El exceso de carbono y otras impurezas se eliminan en un paso posterior.

A menudo se agregan otros materiales a la mezcla de hierro y carbono para producir acero con las propiedades deseadas. El níquel y el manganeso en el acero se suman a su resistencia a la tracción y hacen que la forma austenita de la solución de hierro y carbono sea más estable, el cromo aumenta la dureza y la temperatura de fusión, y el vanadio también aumenta la dureza y lo hace menos propenso a la fatiga del metal.

Para inhibir la corrosión, se puede agregar al menos un 11% de cromo al acero para que se forme un óxido duro en la superficie del metal; esto se conoce como acero inoxidable. El tungsteno retarda la formación de cementita, mantiene el carbono en la matriz de hierro y permite que la martensita se forme preferentemente a velocidades de enfriamiento más lentas, lo que da como resultado acero de alta velocidad. La adición de plomo y azufre disminuye el tamaño del grano, lo que hace que el acero sea más fácil de tornear, pero también más frágil y propenso a la corrosión. No obstante, estas aleaciones se utilizan con frecuencia para componentes como tuercas, pernos y arandelas en aplicaciones en las que la tenacidad y la resistencia a la corrosión no son primordiales. Sin embargo, en su mayor parte, los elementos del bloque p, como el azufre, el nitrógeno, el fósforo y el plomo, se consideran contaminantes que hacen que el acero sea más frágil y, por lo tanto, se eliminan del acero fundido durante el procesamiento.

Propiedades

La densidad del acero varía según los componentes de la aleación, pero por lo general oscila entre 7750 y 8050 kg/m (484 y 503 lb/pies cúbicos), o 7,75 y 8,05 g/cm (4,48 y 4,65 oz/pulgadas cúbicas).

Incluso en un rango estrecho de concentraciones de mezclas de carbono y hierro que forman el acero, se pueden formar varias estructuras metalúrgicas diferentes, con propiedades muy diferentes. Comprender tales propiedades es esencial para fabricar acero de calidad. A temperatura ambiente, la forma más estable de hierro puro es la estructura cúbica centrada en el cuerpo (BCC) llamada hierro alfa o α-hierro. Es un metal bastante blando que puede disolver solo una pequeña concentración de carbono, no más del 0,005 % a 0 °C (32 °F) y el 0,021 % en peso a 723 °C (1333 °F). La inclusión de carbono en el hierro alfa se llama ferrita. A 910 °C, el hierro puro se transforma en una estructura cúbica centrada en las caras (FCC), denominada hierro gamma o hierro γ. La inclusión de carbono en el hierro gamma se llama austenita. La estructura FCC más abierta de la austenita puede disolver considerablemente más carbono, hasta un 2,1%,(38 veces el de la ferrita) carbono a 1148 °C (2098 °F), que refleja el contenido de carbono superior del acero, más allá del cual se encuentra el hierro fundido. Cuando el carbono sale de la solución con el hierro, forma un material muy duro pero quebradizo llamado cementita (Fe ₃ C).

Cuando los aceros con exactamente 0,8% de carbono (conocido como acero eutectoide) se enfrían, la fase austenítica (FCC) de la mezcla intenta volver a la fase de ferrita (BCC). El carbono ya no encaja dentro de la estructura de austenita FCC, lo que resulta en un exceso de carbono. Una forma de que el carbono abandone la austenita es que se precipite de la solución como cementita, dejando atrás una fase circundante de hierro BCC llamada ferrita con un pequeño porcentaje de carbono en solución. Los dos, ferrita y cementita, precipitan simultáneamente produciendo una estructura en capas llamada perlita, llamada así por su parecido con la madreperla. En una composición hipereutectoide (superior al 0,8% de carbono), el carbono se precipitará primero como grandes inclusiones de cementita en los límites de los granos de austenita hasta que el porcentaje de carbono en los granos haya disminuido a la composición eutectoide (0,8% de carbono), momento en el que se forma la estructura de perlita. Para los aceros que tienen menos del 0,8 % de carbono (hipoeutectoide), primero se formará ferrita dentro de los granos hasta que la composición restante alcance el 0,8 % de carbono, momento en el que se formará la estructura de perlita. No se formarán grandes inclusiones de cementita en los límites del acero hipoeuctoide.Lo anterior supone que el proceso de enfriamiento es muy lento, lo que permite suficiente tiempo para que el carbono migre.

A medida que aumenta la velocidad de enfriamiento, el carbono tendrá menos tiempo para migrar y formar carburo en los límites de los granos, pero tendrá cantidades cada vez mayores de perlita de una estructura cada vez más fina dentro de los granos; por lo tanto, el carburo se dispersa más ampliamente y actúa para evitar el deslizamiento de defectos dentro de esos granos, lo que resulta en el endurecimiento del acero. A las velocidades de enfriamiento muy altas producidas por el enfriamiento rápido, el carbono no tiene tiempo para migrar, sino que queda atrapado dentro de la austenita centrada en las caras y forma martensita. La martensita es una forma sobresaturada de carbono y hierro altamente tensa y estresada, y es extremadamente dura pero quebradiza. Dependiendo del contenido de carbono, la fase martensítica toma diferentes formas. Por debajo del 0,2 % de carbono, adopta una forma de cristal BCC de ferrita, pero con un contenido de carbono superior adopta una estructura tetragonal centrada en el cuerpo (BCT).No hay cambio de composición, por lo que los átomos generalmente conservan a sus mismos vecinos.

La martensita tiene menor densidad (se expande durante el enfriamiento) que la austenita, por lo que la transformación entre ellas produce un cambio de volumen. En este caso, se produce la expansión. Las tensiones internas de esta expansión generalmente toman la forma de compresión en los cristales de martensita y tensión en la ferrita restante, con una buena cantidad de cizallamiento en ambos constituyentes. Si el enfriamiento se hace incorrectamente, las tensiones internas pueden hacer que una parte se rompa a medida que se enfría. Como mínimo, provocan endurecimiento por trabajo interno y otras imperfecciones microscópicas. Es común que se formen grietas de templado cuando el acero se templa con agua, aunque es posible que no siempre sean visibles.

Tratamiento térmico

Hay muchos tipos de procesos de tratamiento térmico disponibles para el acero. Los más comunes son el recocido, el temple y el revenido.

El recocido es el proceso de calentar el acero a una temperatura suficientemente alta para aliviar las tensiones internas locales. No crea un ablandamiento general del producto, sino que solo alivia localmente las tensiones y tensiones encerradas dentro del material. El recocido pasa por tres fases: recuperación, recristalización y crecimiento del grano. La temperatura requerida para recocer un acero en particular depende del tipo de recocido a lograr y de los componentes de la aleación.

El enfriamiento implica calentar el acero para crear la fase austenita y luego enfriarlo en agua o aceite. Este enfriamiento rápido da como resultado una estructura martensítica dura pero quebradiza. Luego, el acero se templa, que es solo un tipo especializado de recocido, para reducir la fragilidad. En esta aplicación, el proceso de recocido (revenido) transforma parte de la martensita en cementita o esferoidita y, por lo tanto, reduce las tensiones internas y los defectos. El resultado es un acero más dúctil y resistente a las fracturas.

Producción

Cuando el hierro se funde a partir de su mineral, contiene más carbono del deseable. Para convertirse en acero, debe reprocesarse para reducir el carbono a la cantidad correcta, momento en el que se pueden agregar otros elementos. En el pasado, las instalaciones siderúrgicas convertían el producto de acero en bruto en lingotes que se almacenaban hasta su uso en procesos de refinamiento posteriores que daban como resultado el producto terminado. En las instalaciones modernas, el producto inicial está cerca de la composición final y se vierte continuamente en losas largas, se cortan y se les da forma de barras y extrusiones y se tratan térmicamente para producir un producto final. Actualmente, aproximadamente el 96 % del acero se funde de forma continua, mientras que solo el 4 % se produce en forma de lingotes.

Luego, los lingotes se calientan en un pozo de remojo y se laminan en caliente en losas, palanquillas o tochos. Las losas se laminan en caliente o en frío en láminas o placas de metal. Las palanquillas se laminan en caliente o en frío en barras, varillas y alambre. Los blooms se laminan en caliente o en frío en acero estructural, como vigas en I y rieles. En las acerías modernas, estos procesos a menudo ocurren en una línea de ensamblaje, con la entrada del mineral y la salida de los productos de acero terminados. A veces, después del laminado final de un acero, se trata térmicamente para fortalecerlo; sin embargo, esto es relativamente raro.

Historia

Antiguo

El acero era conocido en la antigüedad y se producía en florerías y crisoles.

La producción de acero más antigua conocida se ve en piezas de artículos de hierro excavados en un sitio arqueológico en Anatolia (Kaman-Kalehöyük) y tienen casi 4000 años de antigüedad, datan del 1800 a. Horacio identifica armas de acero como la falcata en la Península Ibérica, mientras que el acero nórico fue utilizado por el ejército romano.

La reputación del hierro Seric del sur de la India (acero de lana) creció considerablemente en el resto del mundo. Los sitios de producción de metal en Sri Lanka emplearon hornos de viento impulsados ​​por los vientos del monzón, capaces de producir acero con alto contenido de carbono. La producción de acero Wootz a gran escala en la India utilizando crisoles se produjo en el siglo VI a. C., el precursor pionero de la producción de acero y la metalurgia modernas.

Los chinos del período de los Reinos Combatientes (403-221 a. C.) tenían acero templado, mientras que los chinos de la dinastía Han (202 a. C.-220 d. C.) crearon acero fundiendo hierro forjado con hierro fundido, produciendo así un acero intermedio al carbono. por el siglo I d.C.

Existe evidencia de que los ancestros del pueblo Haya fabricaban acero al carbono en el oeste de Tanzania hace ya 2000 años mediante un proceso complejo de "precalentamiento" que permitía que las temperaturas dentro de un horno alcanzaran los 1300 a 1400 °C.

Wootz y Damasco

La evidencia de la producción más temprana de acero con alto contenido de carbono en la India se encuentra en Kodumanal en Tamil Nadu, el área de Golconda en Andhra Pradesh y Karnataka, y en las áreas de Samanalawewa, Dehigaha Alakanda en Sri Lanka. Esto llegó a conocerse como acero Wootz, producido en el sur de la India alrededor del siglo VI a. C. y exportado a todo el mundo. La tecnología del acero existía antes del 326 a. C. en la región, ya que se menciona en la literatura de Sangam Tamil, árabe y latín como el acero más fino del mundo exportado a los mundos romano, egipcio, chino y árabe en ese momento, lo que llamaron Hierro Sérico.Un gremio comercial tamil del 200 a. C. en Tissamaharama, en el sureste de Sri Lanka, trajo consigo algunos de los artefactos y procesos de producción de hierro y acero más antiguos a la isla desde el período clásico. Los chinos y los lugareños en Anuradhapura, Sri Lanka, también habían adoptado los métodos de producción para crear acero Wootz de los tamiles de la dinastía Chera del sur de la India en el siglo V d.C. En Sri Lanka, este método primitivo de fabricación de acero empleaba un horno de viento único, impulsado por los vientos del monzón, capaz de producir acero con alto contenido de carbono. Dado que la tecnología se adquirió de los tamiles del sur de la India, el origen de la tecnología del acero en la India se puede estimar de forma conservadora en el 400-500 a.

La fabricación de lo que llegó a llamarse Wootz, o acero de Damasco, famoso por su durabilidad y capacidad para mantener el filo, pudo haber sido tomada por los árabes de Persia, quienes la tomaron de la India. Originalmente fue creado a partir de varios materiales diferentes, incluidos varios elementos traza, aparentemente en última instancia, de los escritos de Zosimos de Panopolis. En el 327 a. C., Alejandro Magno fue recompensado por el derrotado rey Poro, no con oro ni plata, sino con 30 libras de acero. Un estudio reciente ha especulado que los nanotubos de carbono estaban incluidos en su estructura, lo que podría explicar algunas de sus cualidades legendarias, aunque, dada la tecnología de la época, dichas cualidades se produjeron por casualidad y no por diseño.Se utilizó viento natural donde el suelo que contenía hierro se calentó mediante el uso de madera. Los antiguos cingaleses lograron extraer una tonelada de acero por cada 2 toneladas de suelo, una hazaña notable en ese momento. Uno de esos hornos se encontró en Samanalawewa y los arqueólogos pudieron producir acero como lo hacían los antiguos.

El acero al crisol, formado por el lento calentamiento y enfriamiento del hierro puro y el carbono (típicamente en forma de carbón vegetal) en un crisol, se produjo en Merv entre los siglos IX y X d.C. En el siglo XI, hay evidencia de la producción de acero en la China Song usando dos técnicas: un método "berganesco" que producía acero inferior no homogéneo, y un precursor del moderno proceso Bessemer que usaba descarbonización parcial a través de la forja repetida bajo un frío explosión.

Moderno

Desde el siglo XVII, el primer paso en la producción europea de acero ha sido la fundición de mineral de hierro en arrabio en un alto horno. Originalmente empleando carbón vegetal, los métodos modernos usan coque, que ha demostrado ser más económico.

Procesos a partir de hierro en barra

En estos procesos, el arrabio se refinaba (refinaba) en una forja fina para producir barras de hierro, que luego se usaban en la fabricación de acero.

La producción de acero mediante el proceso de cementación se describió en un tratado publicado en Praga en 1574 y estuvo en uso en Nuremberg desde 1601. Un proceso similar para cementar armaduras y limas se describió en un libro publicado en Nápoles en 1589. El proceso fue introducido en Inglaterra alrededor de 1614 y utilizado para producir dicho acero por Sir Basil Brooke en Coalbrookdale durante la década de 1610.

La materia prima de este proceso eran las barras de hierro. Durante el siglo XVII, se descubrió que el mejor acero provenía de los yacimientos de hierro de una región al norte de Estocolmo, Suecia. Esta seguía siendo la fuente de materia prima habitual en el siglo XIX, casi mientras se utilizaba el proceso.

El acero al crisol es acero que se ha fundido en un crisol en lugar de haber sido forjado, con el resultado de que es más homogéneo. La mayoría de los hornos anteriores no podían alcanzar temperaturas suficientemente altas para fundir el acero. La industria moderna del acero al crisol fue el resultado de la invención de Benjamin Huntsman en la década de 1740. El acero blíster (hecho como se indicó anteriormente) se fundió en un crisol o en un horno y se moldeó (generalmente) en lingotes.

Procesos a partir de arrabio

La era moderna en la fabricación de acero comenzó con la introducción del proceso de Henry Bessemer en 1855, cuya materia prima era el arrabio. Su método le permitió producir acero en grandes cantidades a bajo precio, por lo que el acero dulce se utilizó para la mayoría de los fines para los que anteriormente se usaba el hierro forjado. El proceso Gilchrist-Thomas (o proceso Bessemer básico) fue una mejora del proceso Bessemer, realizado recubriendo el convertidor con un material básico para eliminar el fósforo.

Otro proceso de fabricación de acero del siglo XIX fue el proceso Siemens-Martin, que complementó el proceso Bessemer. Consistía en la fundición conjunta de barras de hierro (o chatarra de acero) con arrabio.

Estos métodos de producción de acero quedaron obsoletos por el proceso Linz-Donawitz de fabricación de acero con oxígeno básico (BOS), desarrollado en 1952, y otros métodos de fabricación de acero con oxígeno. La fabricación de acero con oxígeno básico es superior a los métodos de fabricación de acero anteriores porque el oxígeno bombeado al horno limitaba las impurezas, principalmente nitrógeno, que previamente había entrado del aire utilizado y porque, con respecto al proceso de solera abierta, la misma cantidad de acero de un BOS proceso se fabrica en una doceava parte del tiempo.Hoy en día, los hornos de arco eléctrico (EAF) son un método común de reprocesamiento de chatarra para crear acero nuevo. También se pueden usar para convertir arrabio en acero, pero usan mucha energía eléctrica (alrededor de 440 kWh por tonelada métrica) y, por lo tanto, generalmente solo son económicos cuando hay un suministro abundante de electricidad barata.

Industria

La industria del acero a menudo se considera un indicador del progreso económico, debido al papel fundamental que desempeña el acero en la infraestructura y el desarrollo económico general. En 1980 había más de 500.000 trabajadores siderúrgicos estadounidenses. Para el año 2000, el número de trabajadores siderúrgicos se había reducido a 224.000.

El auge económico de China e India provocó un aumento masivo de la demanda de acero. Entre 2000 y 2005, la demanda mundial de acero aumentó un 6%. Desde el año 2000, varias empresas siderúrgicas indias y chinas se han destacado, como Tata Steel (que compró Corus Group en 2007), Baosteel Group y Shagang Group. Sin embargo, a partir de 2017, ArcelorMittal es el mayor productor de acero del mundo. En 2005, el Servicio Geológico Británico declaró que China era el principal productor de acero con aproximadamente un tercio de la participación mundial; Le siguieron Japón, Rusia y Estados Unidos, respectivamente.La gran capacidad de producción de acero da como resultado también una cantidad significativa de emisiones de dióxido de carbono inherentes a la ruta de producción principal. En 2019, se estimó que entre el 7 y el 9 % de las emisiones mundiales de dióxido de carbono procedían de la industria del acero. Se espera que la reducción de estas emisiones provenga de un cambio en la principal ruta de producción que utiliza coques, más reciclaje de acero y la aplicación de tecnología de captura y almacenamiento de carbono o captura y utilización de carbono.

En 2008, el acero comenzó a comercializarse como materia prima en la Bolsa de Metales de Londres. A fines de 2008, la industria del acero enfrentó una fuerte recesión que condujo a muchos recortes.

Reciclaje

El acero es uno de los materiales más reciclados del mundo, con una tasa de reciclaje de más del 60% a nivel mundial; solo en los Estados Unidos, se reciclaron más de 82 000 000 toneladas métricas (81 000 000 toneladas largas; 90 000 000 toneladas cortas) en el año 2008, con una tasa de reciclaje general del 83%.

Dado que se produce más acero del que se desecha, la cantidad de materias primas recicladas es aproximadamente el 40 % del total de acero producido: en 2016, se produjeron 1 628 000 000 toneladas (1,602 × 10 toneladas largas; 1,795 × 10 toneladas cortas) de acero bruto en todo el mundo., con 630.000.000 toneladas (620.000.000 toneladas largas; 690.000.000 toneladas cortas) recicladas.

Contemporáneo

Carbón

Los aceros modernos se fabrican con diversas combinaciones de metales de aleación para cumplir muchos propósitos. El acero al carbono, compuesto simplemente de hierro y carbono, representa el 90% de la producción de acero. El acero de baja aleación se alea con otros elementos, generalmente molibdeno, manganeso, cromo o níquel, en cantidades de hasta un 10 % en peso para mejorar la templabilidad de las secciones gruesas. El acero de baja aleación y alta resistencia tiene pequeñas adiciones (normalmente < 2 % en peso) de otros elementos, normalmente 1,5 % de manganeso, para proporcionar una resistencia adicional por un modesto aumento de precio.

Las recientes regulaciones corporativas de economía de combustible promedio (CAFE) han dado lugar a una nueva variedad de acero conocida como acero avanzado de alta resistencia (AHSS). Este material es resistente y dúctil para que las estructuras de los vehículos puedan mantener sus niveles de seguridad actuales utilizando menos material. Hay varios grados disponibles comercialmente de AHSS, como el acero de doble fase, que se trata térmicamente para contener una microestructura ferrítica y martensítica para producir un acero moldeable de alta resistencia. El acero de plasticidad inducida por transformación (TRIP) implica una aleación especial y tratamientos térmicos para estabilizar las cantidades de austenita a temperatura ambiente en aceros ferríticos de baja aleación normalmente libres de austenita. Al aplicar tensión, la austenita sufre una transición de fase a martensita sin la adición de calor.El acero de plasticidad inducida por maclado (TWIP) utiliza un tipo específico de deformación para aumentar la eficacia del endurecimiento por trabajo en la aleación.

Los aceros al carbono a menudo se galvanizan, mediante inmersión en caliente o galvanoplastia en zinc para protegerlos contra la oxidación.

Aleación

Los aceros inoxidables contienen un mínimo de 11 % de cromo, a menudo combinado con níquel, para resistir la corrosión. Algunos aceros inoxidables, como los aceros inoxidables ferríticos, son magnéticos, mientras que otros, como los austeníticos, no son magnéticos. Los aceros resistentes a la corrosión se abrevian como CRES.

Los aceros aleados son aceros al carbono simples en los que se han agregado pequeñas cantidades de elementos de aleación como cromo y vanadio. Algunos aceros más modernos incluyen aceros para herramientas, que están aleados con grandes cantidades de tungsteno y cobalto u otros elementos para maximizar el endurecimiento por solución. Esto también permite el uso de endurecimiento por precipitación y mejora la resistencia a la temperatura de la aleación. El acero para herramientas generalmente se usa en hachas, taladros y otros dispositivos que necesitan un filo afilado y duradero. Otras aleaciones para propósitos especiales incluyen aceros resistentes a la intemperie como Corten, que se desgastan al adquirir una superficie estable y oxidada, por lo que se pueden usar sin pintar. El acero martensítico está aleado con níquel y otros elementos, pero a diferencia de la mayoría de los aceros, contiene poco carbono (0,01 %). Esto crea un acero muy fuerte pero aún maleable.

El acero Eglin utiliza una combinación de más de una docena de elementos diferentes en cantidades variables para crear un acero de costo relativamente bajo para usar en armas antibúnker. El acero Hadfield (después de Sir Robert Hadfield) o acero al manganeso contiene entre un 12% y un 14% de manganeso que, cuando se desgasta, se endurece por deformación para formar una piel muy dura que resiste el desgaste. Los ejemplos incluyen orugas de tanques, bordes de cuchillas de excavadoras y cuchillas de corte en las mandíbulas de la vida.

Estándares

La mayoría de las aleaciones de acero más comúnmente utilizadas se clasifican en varios grados por organizaciones de estándares. Por ejemplo, la Sociedad de Ingenieros Automotrices tiene una serie de grados que definen muchos tipos de acero. La Sociedad Estadounidense para Pruebas y Materiales tiene un conjunto separado de estándares, que definen aleaciones como el acero A36, el acero estructural más utilizado en los Estados Unidos. El JIS también define una serie de grados de acero que se utilizan ampliamente en Japón, así como en los países en desarrollo.

Usos

El hierro y el acero se utilizan ampliamente en la construcción de carreteras, vías férreas, otras infraestructuras, electrodomésticos y edificios. La mayoría de las grandes estructuras modernas, como estadios y rascacielos, puentes y aeropuertos, están soportadas por un esqueleto de acero. Incluso aquellos con una estructura de hormigón emplean acero para reforzar. Se ve un uso generalizado en los principales electrodomésticos y automóviles. A pesar del crecimiento en el uso del aluminio, sigue siendo el material principal para las carrocerías de automóviles. El acero se utiliza en una variedad de otros materiales de construcción, como pernos, clavos y tornillos y otros productos para el hogar y utensilios de cocina.

Otras aplicaciones comunes incluyen construcción naval, tuberías, minería, construcción en alta mar, aeroespacial, electrodomésticos (por ejemplo, lavadoras), equipos pesados ​​como excavadoras, muebles de oficina, lana de acero, herramientas y armaduras en forma de chalecos personales o armaduras de vehículos (mejor conocida como armadura homogénea enrollada en este papel).

Histórico

Antes de la introducción del proceso Bessemer y otras técnicas de producción modernas, el acero era costoso y solo se usaba donde no existía una alternativa más barata, particularmente para el filo de cuchillos, navajas, espadas y otros artículos donde se necesitaba un filo duro y afilado. También se usó para resortes, incluidos los que se usan en relojes y relojes.

Con la llegada de métodos de producción más rápidos y económicos, el acero se ha vuelto más fácil de obtener y mucho más barato. Ha reemplazado al hierro forjado para una multitud de propósitos. Sin embargo, la disponibilidad de plásticos en la última parte del siglo XX permitió que estos materiales reemplazaran al acero en algunas aplicaciones debido a su menor costo y peso de fabricación. La fibra de carbono está reemplazando al acero en algunas aplicaciones insensibles a los costos, como equipos deportivos y automóviles de alta gama.

Largo

• Como barras de refuerzo y mallas en hormigón armado
• Vías del tren
• Acero estructural en edificios y puentes modernos
• alambres
• Entrada para aplicaciones de reforja

Carbono plano

• Grandes electrodomésticos
• Núcleos magnéticos
• El cuerpo interior y exterior de automóviles, trenes y barcos.

Envejecimiento (COR-TEN)

• Contenedores intermodales
• Esculturas al aire libre
• Arquitectura
• Vagones de tren highliner

Inoxidable

• Cuchillería
• Gobernantes
• Instrumentos quirúrgicos
• Relojes
• armas
• Vehículos ferroviarios de pasajeros
• tabletas
• botes de basura
• Joyas para perforaciones corporales
• Anillos económicos
• Componentes de naves espaciales y estaciones espaciales

Fondo bajo

El acero fabricado después de la Segunda Guerra Mundial se contaminó con radionúclidos por las pruebas de armas nucleares. El acero de fondo bajo, acero fabricado antes de 1945, se utiliza para ciertas aplicaciones sensibles a la radiación, como contadores Geiger y protección contra la radiación.