Sin duda alguna el acero es uno de los materiales más importantes en la época actual. Su producción anual se acerca a los 2000 millones de toneladas, muy por encima de cualquier otro metal. Así, las producciones anuales de aluminio o cobre no llegan a las decenas de millones de toneladas. Gran número de los objetos metálicos de uso cotidiano están hechos de acero, como las ollas y sartenes, las cuberterías, herramientas, etc., así como la inmensa mayoría de la maquinaria industrial y una parte importante de los materiales de construcción.
El acero es una aleación que contiene principalmente hierro y una pequeña cantidad de carbono, aunque los aceros comerciales pueden incluir muchos otros elementos químicos en pequeñas proporciones, tanto metálicos como no metálicos, como Al, Cr, Mo, W, B, V, Si, Ti, etc. En general se suele denominar aceros a aquellas aleaciones de hierro que contienen entre un 0,02% y un 2,14% en peso de carbono. Por encima de ese límite (que no es exacto y a veces se toma 1,8% como referencia) a las aleaciones resultantes se las denomina fundiciones de hierro; son más baratas y presentan propiedades mecánicas peores que los aceros.
Tradicionalmente las fundiciones de hierro se obtienen en un alto horno, una construcción diseñada para efectuar la fusión y la reducción de minerales de hierro, como son la hematita o la magnetita, óxidos ambos que son las menas más usuales de este elemento. El mineral se introduce en las proporciones adecuadas junto con carbón mineral y piedra caliza para someterlo a un tratamiento de alta temperatura en el que los óxidos son reducidos a hierro metálico con una proporción variable de carbono que luego hay que modificar para la obtención del acero deseado.
Existe una gran variedad de aceros con propiedades mecánicas y fisicoquímicas significativamente distintas, así como una gran riqueza de microestructuras, debido a la existencia de diferentes fases cristalográficas. Pero, en general, tienen la característica común de que sus propiedades mecánicas son sustancialmente mejores que las del hierro puro.
El hierro es un metal maleable, duro, frágil, de color gris plateado y de una densidad intermedia de 7,87 g cm–3. Presenta un comportamiento ferromagnético característico a temperatura ambiente y presión atmosférica, por lo que puede ser usado como imán. Su estructura cristalina es cúbica centrada en el interior a temperatura ambiente (fase α), pero a partir de 912 oC se transforma en una estructura cúbica centrada en las caras (fase γ) que es estable hasta los 1394 oC, temperatura a la que sufre una segunda transformación a otra estructura cúbica centrada en el interior (fase δ) que finalmente funde a 1538 oC. Como la fase γ del hierro presenta una estructura cúbica compacta, es más susceptible de ser deformada que la fase α. Los aceros siempre se trabajan en caliente, ya que a temperatura alta es posible deformar las piezas a golpes con mayor facilidad.
Las diferentes fases cristalinas del hierro son la causa de que cuando se combina con el carbono para formar aceros aparezcan una variedad importante de fases con microestructuras características y distintivas que pueden encontrar muchos tipos de aplicaciones. El diagrama de fases de equilibrio del sistema Fe-C, que se muestra parcialmente en la figura 2.1, contiene casi toda la información relevante respecto a las fases de equilibrio del acero.
El hierro es capaz de disolver pequeñas cantidades de carbono en su estructura cristalina, alojando a los nuevos átomos en sus intersticios. Tal y como indica el diagrama de fases de Fe-C, la estructura α es capaz de disolver una cantidad mínima de carbono, tan solo hasta un 0,022% en peso, dando lugar a una disolución sólida conocida como ferrita α. Por el contrario, la fase γ es capaz de disolver una cantidad de carbono mucho mayor, de hasta el 2,14% en peso, produciendo una fase conocida como austenita. Esto se debe a que la estructura cúbica centrada en las caras presenta un mayor número de intersticios apropiados para acomodar átomos de carbono, que son más pequeños, mientras que la estructura cúbica centrada en el cuerpo de la fase α no tiene intersticios del tamaño adecuado.
Como la austenita no es estable a temperatura ambiente, al enfriarse, una parte se transforma en ferrita α, pero el exceso de carbono se tiene que liberar de alguna forma ya que, como hemos indicado, la ferrita α solo admite una cantidad mínima de carbono. Lo que ocurre es que aparecen regiones constituidas de cementita, Fe3C, un carburo de hierro cuyo contenido en carbono es del 6,67% en peso, que permite mantener la proporción de carbono original de la austenita. La cementita es un sólido cristalino con estructura ortorrómbica, de una gran dureza, pero a la vez es muy frágil. Se encuentra en la mayoría de los aceros en combinación con la ferrita α formando una microestructura de láminas alternas características de un eutectoide, tal como indica el diagrama de fases.
Es esta estructura interna laminar la que hace que los aceros presenten una resistencia y dureza mucho mayor que la del hierro. Para la composición de 0,76% en peso de carbono la austenita se convertiría en su totalidad en una fase constituida por la microestructura de láminas alternas de ferrita α y cementita antes mencionada. Esta microestructura, que se esquematiza en la figura 2.2, puede observarse con un microscopio óptico. Los aceros cuyos contenidos en peso de carbono son menores o mayores que 0,78% se denominan hipoeutectoides o hipereutectoides respectivamente y presentan una estructura similar basada mayoritariamente en perlita, como la que se muestra en la figura 2.2. La diferencia está en que, mientras los aceros hipoeutectoides presentan regiones de ferrita α entre los granos cristalinos, en los aceros hipereutectoides lo que aparece en las fronteras de grano es cementita. En cualquier caso, tanto los aceros ferríticos como austeníticos tienen unas propiedades mecánicas razonables, con resistencias a la tracción comprendidas aproximadamente entre 400 y 500 MPa, que serían aproximadamente el doble de las que tienen las fundiciones con contenidos en carbono más altos.
Por último, es de destacar que muchos de los aceros comerciales no presentan ninguna de las fases o microestructuras antes descritas en el diagrama de fases de equilibrio. Esto es porque todavía se pueden endurecer más mediante la aplicación de distintos tratamientos térmicos. Para los aceros, el tratamiento térmico más empleado es el templado, que consiste en trabajar con acero austenítico en caliente (al menos a 900 oC) para posteriormente enfriarlo rápidamente usando agua, aceite u otros líquidos refrigerantes. Si la velocidad de enfriamiento es suficientemente alta, en vez de ocurrir la transformación de la austenita en perlita como indica el diagrama de fases, la austenita se transforma en otra fase metaestable denominada martensita. La martensita es una estructura de no equilibrio que cristaliza en un sistema tetragonal y cuya transformación transcurre sin que haya difusión, por lo que cuanto mayor sea la velocidad de enfriamiento mayor será el grado de conversión de austenita en martensita.
Los aceros templados suelen alcanzar resistencias a la tracción superiores a 1000 MPa, y con las proporciones adecuadas y tratamientos térmicos con un control muy estricto, incluso más de 2000 MPa. Desde un punto de vista fisicoquímico hay que resaltar que, como la martensita se trata de una fase de no equilibrio, transcurrido el tiempo suficiente tendría que convertirse en la fase de equilibrio correspondiente, en este caso la perlita. Sin embargo, esto no ocurre, ya que esa transformación no está cinéticamente favorecida y el tiempo que tendría que transcurrir es prácticamente infinito a efectos prácticos. Desde el punto de vista histórico, el templado del acero fue muy importante, ya que permitía confeccionar armas blancas de gran dureza y resistencia, muy superiores a las de acero sin templar u otros metales. Durante muchos siglos no se conocía el mecanismo químico-físico responsable de este proceso y solo en determinados lugares se conseguía (a veces por mera casualidad) producir acero templado que era muy valorado en la fabricación de espadas y otras armas.
[1] Figura adaptada de W. D. Callister Jr. Materials Science and Engineering: An introduction. 7ª ed. John Wiley & Sons (2007).
[2] Adaptada de W. D. Callister Jr. Materials Science and Engineering: An introduction. 7ª ed. John Wiley & Sons (2007).
Este texto pertenece al libro:
Carlos Romero Muñiz, José M.ª Gavira Vallejo: Noventa materiales de ingeniería para la enseñanza de Física y Química. Triplenlace.com, 2025. https://triplenlace.com/aula-libros/90mi/ .
