Elementos de aleación del acero y sus efectos metalúrgicos

1. ¿Qué se considera un elemento de aleación en el acero?

El acero como aleación de hierro y carbono

La World Steel Association define el acero como una aleación de hierro y carbono que contiene menos del 2 % de carbono. Ese límite es útil, pero no significa que el carbono sea el único elemento que determina el comportamiento del acero. El acero comercial también contiene habitualmente manganeso, silicio, fósforo, azufre y oxígeno, además de otros elementos añadidos deliberadamente durante la fabricación del acero o retenidos de las materias primas, la chatarra, los materiales refractarios y el procesamiento.

El carbono ocupa posiciones intersticiales en la red cristalina del hierro. Sus átomos son mucho más pequeños que los átomos de hierro, por lo que encajan en los espacios entre los átomos de hierro en lugar de sustituirlos. Incluso una concentración moderada de carbono puede modificar la constitución de fases y la dureza del acero, porque el carbono estabiliza la austenita, se combina con el hierro y otros elementos para formar carburos y controla la cantidad y distribución de perlita, bainita, martensita y ferrita que se forman durante el enfriamiento.

Por el contrario, la mayoría de los elementos metálicos de aleación se incorporan al hierro de forma sustitucional: un átomo de hierro de la red es reemplazado por un átomo de manganeso, níquel, cromo u otro elemento. Esta sustitución distorsiona la red e impide el movimiento de las dislocaciones, produciendo un endurecimiento por solución sólida sustitucional. Steeluniversity explica que la magnitud de este efecto está relacionada con el tamaño atómico, la compresibilidad, la valencia química y la electronegatividad, y no simplemente con el porcentaje del elemento en masa. Por tanto, una misma concentración puede producir distintos efectos de endurecimiento o de transformación en diferentes fases de la matriz.

La distinción no es absoluta. El nitrógeno, el boro y el hidrógeno son átomos intersticiales pequeños, mientras que elementos como el titanio, el niobio y el vanadio pueden estar disueltos de forma sustitucional en una etapa y posteriormente salir de la solución para formar carburos, nitruros o carbonitruros. Por tanto, un elemento de aleación puede modificar primero el acero mediante solución sólida, después mediante precipitación y, finalmente, a través de su influencia en la transformación de fases.

El módulo de Steeluniversity sobre los elementos químicos en los aceros al carbono simple identifica el silicio, el manganeso, el azufre, el fósforo, el aluminio, el cobre, el estaño, el cromo, el níquel y el molibdeno como elementos que influyen en las propiedades o el procesamiento. Su presencia no produce el mismo resultado en todos los aceros. El manganeso puede contribuir al endurecimiento por solución sólida y a la templabilidad, a la vez que fija el azufre en forma de sulfuro de manganeso. El silicio puede endurecer la ferrita y actuar como desoxidante, pero un exceso de silicio puede afectar a la ductilidad y a la transformación de fases. El azufre puede mejorar la maquinabilidad mediante la formación de sulfuros; sin embargo, las inclusiones alargadas de sulfuro de manganeso pueden reducir la tenacidad transversal y la resistencia a la fatiga.

El cromo, el níquel y el vanadio muestran por qué no puede asignarse a un elemento una única función universal. Por lo general, el cromo aumenta la templabilidad y puede mejorar la resistencia al ataque a alta temperatura, a la oxidación y a la corrosión. El níquel refuerza el acero ferrítico y ayuda a conservar la tenacidad a temperaturas bajo cero. El vanadio puede formar partículas finas de carburo o carbonitruro de vanadio, aumentando la resistencia e influyendo en el tamaño de grano. El resultado depende de si el elemento permanece en solución, forma una segunda fase, modifica las temperaturas de transformación o interactúa con el carbono y el nitrógeno.

Adiciones intencionadas, elementos residuales e impurezas

Un elemento de aleación suele identificarse por su finalidad metalúrgica y no por su mera detección. Los fabricantes de acero añaden manganeso para ajustar el comportamiento del azufre y la templabilidad, aluminio para eliminar el oxígeno disuelto y controlar el tamaño de grano, o molibdeno para modificar la templabilidad y la resistencia al ablandamiento asociado al revenido. En un acero microaleado, adiciones muy pequeñas de niobio, titanio o vanadio pueden controlar la recristalización o producir un endurecimiento por precipitación. Son adiciones intencionadas porque la composición y el proceso se seleccionan en función de sus efectos.

Los elementos residuales son diferentes. El cobre, el níquel, el cromo, el estaño y el molibdeno pueden incorporarse a una colada procedentes de acero reciclado u otros materiales de carga, sin haber sido añadidos para cumplir la finalidad principal de diseño del producto. Un elemento residual no es necesariamente inocuo. El cobre y el estaño pueden contribuir a la formación de grietas superficiales durante el trabajo en caliente; el cromo y el níquel pueden modificar la templabilidad y el comportamiento de transformación incluso cuando no se especificaron como adiciones principales de aleación. Que un elemento residual se convierta en una impureza depende del grado, de su límite permitido y de su efecto sobre la fabricación o el servicio.

Por tanto, «impureza» es un término que depende del contexto. El fósforo suele estar restringido porque puede segregarse y reducir la tenacidad, especialmente cuando se combina con condiciones inadecuadas de enfriamiento o revenido. El azufre puede ser indeseable en una chapa para recipientes a presión, pero controlarse deliberadamente a niveles más altos en un acero de fácil mecanización. El oxígeno es necesario para describir las reacciones de fabricación del acero; sin embargo, un exceso de oxígeno disuelto favorece la formación de inclusiones de óxido. La cuestión relevante no es simplemente si existe un elemento, sino dónde se encuentra, en qué forma química y si dicha forma favorece o perjudica la ruta de procesamiento prevista.

Una diferencia del 1 % en la concentración de un elemento de aleación puede modificar sustancialmente el comportamiento de las transformaciones de fase. Limited evidence

Los elementos pueden segregarse durante la solidificación. Su concentración en los límites de las dendritas, los límites de grano o las interfases puede diferir del análisis químico global comunicado para la colada. La segregación en los límites de grano puede modificar los sitios de nucleación, la susceptibilidad a la fragilización y los mecanismos de transformación. Nippon Steel informa de que el comportamiento de transformación de fases del acero puede variar sustancialmente con una diferencia de tan solo un 1 % en la concentración de un elemento de aleación, mientras que las distribuciones en los límites y las interfases pueden producir cambios adicionales. Una composición nominal es un promedio, no un mapa del material.

Esto resulta especialmente evidente en el acero HSLA. El niobio puede inhibir la recristalización de la austenita durante el laminado en caliente, permitiendo que la deformación refine la estructura final de ferrita. El titanio forma precipitados estables de TiN que controlan el tamaño de grano de la austenita durante el recalentamiento. El vanadio forma precipitados finos de VC o V(C,N) que aumentan el límite elástico después de un procesamiento termomecánico adecuado. Si el recalentamiento disuelve una cantidad excesiva de TiN, si el laminado se realiza fuera del intervalo de temperaturas previsto o si los niveles de carbono y nitrógeno son diferentes, la misma adición nominal no producirá la misma microestructura.

El acero inoxidable ofrece otro ejemplo. El cromo es necesario para formar una película pasiva delgada y adherente de óxido de cromo; no es simplemente un ingrediente genérico «anticorrosivo». El níquel, el molibdeno, el nitrógeno, el carbono y las adiciones estabilizantes, como el titanio o el niobio, influyen en la estabilidad de la austenita, la resistencia, el endurecimiento por deformación, la resistencia a la corrosión localizada, la sensibilización y la formación de fases secundarias. El carbono combinado con el cromo puede producir carburos de cromo en los límites de grano durante una exposición térmica inadecuada, empobreciendo en cromo las regiones cercanas. El titanio o el niobio pueden fijar el carbono y reducir ese riesgo, pero pueden introducir sus propias consideraciones relacionadas con la precipitación y la fabricación.

Por qué importan la concentración y la especificación

Una especificación de acero define más que una lista de elementos. Establece intervalos de composición, límites para los elementos residuales, propiedades mecánicas, condición de suministro, tratamiento térmico y, en algunos casos, requisitos relativos al tamaño de grano o a las inclusiones. EN 10025-2 S355J2 y ASTM A709/A709M Grade 50, por ejemplo, no pueden evaluarse únicamente por su contenido de carbono; su composición química especificada y su ruta de procesamiento permiten cumplir requisitos concretos de resistencia y tenacidad. Las designaciones de grado no eliminan la variación dentro del intervalo permitido.

La concentración modifica la estabilidad de las fases y la cinética de transformación. El cromo, el níquel, el manganeso, el carbono y el molibdeno pueden desplazar las temperaturas a las que se forman la ferrita, la perlita, la bainita o la martensita. Una velocidad de enfriamiento que produce ferrita-perlita en una composición puede producir bainita o martensita en otra. El historial térmico es igualmente importante: la colada, el laminado en caliente, la normalización, el temple, el revenido y la soldadura modifican la disolución, la recristalización, la precipitación, el tamaño de grano y la segregación.

Por esa razón, «contiene vanadio» no significa «está endurecido por precipitación», y «contiene cromo» no significa «es inoxidable». El elemento debe estar presente en una concentración adecuada, en la fase o el compuesto correcto y bajo un historial de procesamiento que permita la reacción prevista. La presencia química inicia el análisis. La finalidad metalúrgica solo se establece considerando conjuntamente la composición, la distribución, la constitución de fases y el procesamiento.

2. Los principales mecanismos mediante los cuales los elementos modifican el acero

El efecto de un elemento de aleación no es una propiedad fija asociada a su símbolo en la tabla periódica. Depende de cuánto esté presente, de dónde se encuentren sus átomos, de qué fases sean estables, de si se disuelven o precipitan y del historial térmico y mecánico que haya experimentado el acero. Una pequeña adición puede modificar las temperaturas de transformación, mientras que el mismo elemento en una concentración más alta puede producir una segunda fase, alterar el comportamiento frente a la corrosión o reducir la ductilidad.

La World Steel Association define el acero como una aleación de hierro y carbono que contiene menos de un 2 % de carbono. El manganeso suele estar presente, junto con cantidades menores de silicio, fósforo, azufre y oxígeno. Steeluniversity también identifica el silicio, el manganeso, el azufre, el fósforo, el aluminio, el cobre, el estaño, el cromo, el níquel y el molibdeno como elementos que influyen en la resistencia, la ductilidad, la tenacidad, la maquinabilidad, la templabilidad, el tamaño de grano y la respuesta al tratamiento térmico. Estos efectos surgen mediante tres mecanismos relacionados: los átomos pueden reforzar la red cristalina existente, las nuevas partículas pueden obstaculizar el movimiento de las dislocaciones y los elementos pueden modificar los granos, las interfaces, la segregación y las transformaciones de fase.

Endurecimiento por solución sólida

Endurecimiento por solución sólidaEndurecimiento por solución sólida Endurecimiento causado por átomos de soluto que distorsionan la red de hierro e impiden el movimiento de las dislocaciones.

El endurecimiento por solución sólida se produce cuando los átomos de aleación permanecen dispersos dentro de una fase metálica en lugar de formar un compuesto separado. El carbono y el nitrógeno ocupan posiciones intersticiales entre los átomos de hierro. Su pequeño tamaño en relación con los huecos disponibles produce grandes deformaciones locales, por lo que el carbono intersticial es un potente elemento de refuerzo en la ferrita. Los átomos sustitucionales reemplazan a los átomos de hierro en posiciones normales de la red. El manganeso, el silicio, el níquel, el cromo y el molibdeno actúan habitualmente de esta manera, aunque su distribución final depende de la temperatura, la composición y la constitución de fases.

Steeluniversity describe el endurecimiento sustitucional como una consecuencia de la distorsión de la red cristalina. Un átomo más grande o más pequeño que el hierro empuja o atrae a los átomos vecinos, creando a su alrededor un campo de tensiones. Las dislocaciones también generan campos de tensiones. Cuando una dislocación encuentra la región distorsionada, su movimiento requiere una tensión aplicada adicional; por tanto, aumenta el límite elástico. El efecto no está determinado únicamente por el radio atómico. Steeluniversity lo relaciona con el tamaño atómico, la compresibilidad, la valencia química y la electronegatividad. La compresibilidad influye en la facilidad con la que la red circundante puede acomodar una impureza, mientras que la valencia y la electronegatividad influyen en el carácter y la intensidad del enlace entre el soluto y el hierro.

Esta distinción es importante al comparar aceros nominalmente similares. El silicio puede reforzar considerablemente la ferrita, al tiempo que reduce la solubilidad del carbono y modifica el comportamiento durante la desoxidación. El manganeso refuerza la ferrita y retrasa algunas reacciones de transformación, pero también se combina con el azufre para formar sulfuro de manganeso, en lugar de permitir que se desarrollen redes frágiles de sulfuro de hierro. El níquel refuerza el acero ferrítico y puede preservar la tenacidad a temperaturas bajo cero, mientras que el cromo aumenta la templabilidad y contribuye a la resistencia a altas temperaturas, a la corrosión y a la oxidación. Estas afirmaciones describen tendencias, no resultados garantizados. El cromo disuelto en la ferrita no tiene el mismo efecto que el cromo ligado en carburos, y el níquel en un acero inoxidable austenítico tiene una consecuencia estructural diferente de la del níquel en un acero ferrítico de baja aleación.

El endurecimiento por solución sólida también difiere del simple aumento del contenido de carbono. Un mayor contenido de carbono disuelto puede elevar considerablemente la resistencia, pero el exceso de carbono puede reducir la soldabilidad, favorecer la formación de cementita u otros carburos y modificar la formación de martensita. Por tanto, la cantidad útil de un elemento está limitada por la estabilidad de las fases y las condiciones de procesamiento.

Precipitación y formación de carburos

El endurecimiento por precipitación actúa mediante pequeñas partículas dispersas en una matriz. Estas partículas obstaculizan las dislocaciones, obligándolas a atravesar el precipitado o a curvarse alrededor de él. La resistencia depende de la fracción volumétrica, el tamaño, el espaciamiento, la coherencia y la distribución de las partículas. Una población fina y estrechamente espaciada puede elevar considerablemente el límite elástico; las partículas gruesas ofrecen un obstáculo menor y pueden convertirse en lugares de iniciación de grietas.

La formación de carburos es una forma importante de precipitación. El cromo, el molibdeno, el vanadio, el niobio y el titanio pueden combinarse con el carbono, mientras que el titanio, el niobio y el vanadio también pueden formar carbonitruros. El carburo de vanadio, VC, y el carbonitruro de vanadio, V(C,N), son precipitados finos que aumentan el límite elástico en los aceros HSLA, según AZoM. Su contribución al endurecimiento depende del momento en que se formen. Las partículas que precipitan durante el laminado o después de este pueden obstaculizar las dislocaciones, pero las partículas que se engrosan durante un calentamiento prolongado pierden eficacia.

El ciclo térmico controla este mecanismo. Durante el laminado en caliente del acero HSLA, el niobio suprime la recristalización de la austenita, lo que permite que se acumule la deformación y produce una estructura de transformación más fina. El titanio forma precipitados estables de nitruro de titanio, TiN, que controlan el tamaño de grano de la austenita durante el recalentamiento. Estas funciones son diferentes de la precipitación posterior de VC o V(C,N) finos. Un acero que contiene los tres elementos no recibe tres adiciones independientes; cada uno modifica las condiciones de temperatura y composición experimentadas por los demás.

Los carburos también pueden retirar de la solución sólida elementos de aleación útiles. Los carburos de cromo en los límites de grano de la austenita pueden reducir localmente la concentración de cromo junto al límite, provocando sensibilización y disminuyendo la resistencia a la corrosión intergranular en aceros inoxidables susceptibles. Las adiciones estabilizantes, como el titanio o el niobio, pueden fijar preferentemente el carbono y reducir la formación de carburos de cromo. El molibdeno puede mejorar la resistencia a la corrosión localizada en composiciones inoxidables adecuadas, mientras que el nitrógeno puede reforzar la austenita y afectar a la resistencia a la corrosión por picadura; sin embargo, el nitrógeno también puede favorecer la formación de nitruros u otras fases secundarias si se supera su solubilidad.

El endurecimiento por precipitación debe distinguirse del endurecimiento por solución sólida y del control del tamaño de grano. Un átomo disuelto distorsiona la red matriz. Un precipitado crea una barrera física dentro de ella. El afino de grano aumenta la resistencia porque los límites de grano obstaculizan el movimiento de las dislocaciones, lo que se representa habitualmente mediante la relación de Hall–Petch. Estas contribuciones pueden producirse conjuntamente, pero no son intercambiables. Un tratamiento térmico que aumente el tamaño de las partículas puede reducir el endurecimiento por precipitación aunque el análisis químico global permanezca sin cambios.

Afino de grano, segregación e interfaces

Los límites de grano no son líneas pasivas en una micrografía. Son regiones con un empaquetamiento atómico, una composición química, velocidades de difusión y un comportamiento de transformación de fase diferentes. Los granos finos generalmente mejoran la resistencia y a menudo mejoran la tenacidad al limitar la distancia sobre la que pueden propagarse la clivación u otras formas de deformación localizada. El tamaño de grano se establece mediante la solidificación, el recalentamiento, la deformación, la recristalización y la transformación. Por tanto, el anclaje mediante nitruro de titanio, la recristalización controlada por niobio y la precipitación de vanadio pueden afectar a las propiedades tanto a través de las partículas como de la estructura de grano.

La segregación complica cualquier interpretación basada únicamente en la composición media indicada en un certificado de colada. Durante la solidificación, los elementos se distribuyen entre las fases líquida y sólida. El manganeso, el azufre, el fósforo, el carbono y los elementos de aleación pueden concentrarse en regiones interdendríticas o en los límites de grano. El laminado y el tratamiento térmico posteriores pueden reducir, redistribuir o conservar estas variaciones. Un límite enriquecido en una impureza puede transformarse a una velocidad diferente de la del interior del grano; un límite empobrecido en cromo puede convertirse en una región sensible a la corrosión incluso cuando el contenido global de cromo cumple con el grado nominal.

Nippon Steel informa de que el comportamiento de transformación de fase puede variar sustancialmente con una diferencia de tan solo un 1 % en la concentración de un elemento de aleación. Esta observación advierte contra el tratamiento de los intervalos de composición como si fueran químicamente equivalentes. Un cambio de un punto porcentual puede desplazar las temperaturas de transformación, modificar la templabilidad, cambiar la fracción de ferrita, perlita, bainita o martensita y modificar la fuerza impulsora de la precipitación. Las diferencias locales pueden ser aún más importantes que el promedio cuando la segregación concentra un elemento en una interfaz.

El cromo, el níquel y el vanadio muestran por qué la constitución de fases y el procesamiento deben considerarse conjuntamente. El cromo puede permanecer disuelto, formar carburos ricos en cromo o contribuir a una película pasiva de óxido de cromo en la superficie de un acero inoxidable. El níquel puede estabilizar la austenita, reforzar la ferrita y preservar la tenacidad a bajas temperaturas. El vanadio puede permanecer en solución durante el recalentamiento y formar posteriormente VC o V(C,N), o puede formar partículas más gruesas que contribuyan poco a la resistencia. El resultado final depende de la velocidad de enfriamiento, el programa de deformación, la temperatura de recalentamiento, el tiempo de mantenimiento y el tratamiento térmico posterior.

Por tanto, la composición química del acero es una condición inicial, no una explicación completa. El rendimiento surge de la interacción entre la composición, la deformación de la red, la población de precipitados, la estructura de grano, la segregación, las interfaces y el historial de procesamiento. Por eso, dos aceros con análisis nominales similares pueden presentar curvas de transformación, microestructuras y propiedades mecánicas diferentes.

3. El carbono: el principal elemento de aleación intersticial

El carbono es el principal elemento de aleación intersticial del acero. La World Steel Association define el acero como una aleación de hierro y carbono que contiene menos del 2 % de carbono, junto con manganeso y cantidades menores de silicio, fósforo, azufre y oxígeno. Esta definición identifica al carbono como un elemento central, pero no como un ingrediente aislado: el mismo contenido de carbono puede producir estructuras y propiedades diferentes cuando cambian el cromo, el níquel, el manganeso, el molibdeno o el historial térmico.

Los átomos de carbono son mucho más pequeños que los átomos de hierro, por lo que ocupan espacios entre los átomos de hierro en lugar de sustituirlos en la red metálica. Esto difiere de la aleación sustitucional, en la que un elemento como el manganeso o el níquel reemplaza a un átomo de hierro y distorsiona la red. Steeluniversity explica que el endurecimiento por sustitución depende del tamaño atómico, la compresibilidad, la valencia química y la electronegatividad. El carbono intersticial produce una distorsión local especialmente intensa porque ocupa sitios congestionados de la red del hierro, dificultando el movimiento de las dislocaciones y alterando la estabilidad de las fases circundantes.

Contenido de carbono y transformación de fases

El carbono modifica qué fases del hierro pueden existir y con qué rapidez se forman. La ferrita tiene una red cúbica centrada en el cuerpo y solo disuelve una pequeña cantidad de carbono. La austenita tiene una red cúbica centrada en las caras y puede admitir una cantidad de carbono considerablemente mayor porque sus sitios intersticiales son más favorables. Por tanto, calentar el acero hasta la región de la austenita permite que el carbono se redistribuya, mientras que el enfriamiento determina si esa austenita se transforma en ferrita, perlita, bainita o martensita.

La cementita, o carburo de hierro Fe₃C, es un compuesto rico en carbono que aparece habitualmente junto con la ferrita en la perlita y en otras estructuras que contienen carburos. Su distribución es tan importante como su presencia. Las partículas finas de cementita dificultan el movimiento de las dislocaciones y aumentan la resistencia; las partículas gruesas y las redes continuas de carburos pueden reducir la tenacidad o crear trayectorias preferentes de fractura.

La martensita se forma cuando la austenita se enfría con suficiente rapidez para suprimir las transformaciones controladas por difusión. El carbono queda atrapado en la red del hierro, produciendo una estructura tetragonal centrada en el cuerpo distorsionada. Cuanto mayor es la sobresaturación de carbono, mayores son la distorsión de la red y la dureza potencial, aunque la austenita retenida, el tamaño de grano de la austenita previa, el revenido y otros elementos de aleación determinan el resultado final. La martensita no es simplemente «hierro endurecido por carbono». Es el producto de una trayectoria de transformación determinada.

El informe de Nippon Steel advierte que el comportamiento de transformación de fases del acero puede variar sustancialmente con una diferencia de tan solo un 1 % en la concentración de los elementos de aleación. La composición también varía localmente debido a la segregación y al enriquecimiento en las interfases, por lo que un análisis nominal no describe cada región de un componente fundido, laminado, soldado o tratado térmicamente. El manganeso, el cromo, el níquel y el molibdeno pueden desplazar las temperaturas de transformación y retrasar la formación de ferrita, perlita o bainita. Por tanto, modifican la velocidad de enfriamiento necesaria para obtener martensita, incluso cuando el carbono permanece constante.

Resistencia, ductilidad, soldabilidad y templabilidad

El aumento del carbono generalmente eleva la dureza y la resistencia alcanzables de los aceros ferrítico-perlíticos al incrementar el contenido de perlita o de carburos y reforzar la ferrita situada entre dichos constituyentes. También aumenta el carbono disponible para la formación de martensita. El coste suele ser una menor ductilidad, una menor tenacidad al impacto y una mayor sensibilidad al agrietamiento cuando la microestructura se vuelve dura y frágil.

El contenido de carbono y la templabilidad están relacionados, pero no son idénticos. El carbono controla la dureza que puede alcanzar la martensita; el manganeso, el cromo, el níquel y el molibdeno contribuyen a la templabilidad al retrasar las transformaciones difusionales a mayor profundidad por debajo de la superficie templada. Un acero con un contenido moderado de carbono y adiciones de aleación adecuadas puede endurecerse a través de una sección más gruesa que un acero con mayor contenido de carbono y poco apoyo de elementos de aleación, aunque alcance una dureza máxima de martensita diferente. Deben tenerse en cuenta la severidad del temple, el tamaño de la sección, la temperatura de austenización, el tamaño de grano y el revenido.

El revenido demuestra por qué no puede atribuirse al carbono un único efecto permanente. La martensita templada es dura porque el carbono está atrapado en una red sobresaturada. Durante el revenido, el carbono se difunde y forma carburos de transición o cementita, reduciendo la tensión interna y la dureza, al tiempo que mejora la tenacidad y la estabilidad dimensional. El molibdeno puede modificar las reacciones de los carburos y la resistencia al revenido; el cromo puede contribuir a la formación de carburos de aleación. El vanadio, el niobio y el titanio pueden formar carburos o carbonitruros muy estables, en lugar de dejar todo el carbono disponible para formar cementita.

La soldabilidad suele disminuir a medida que aumentan el carbono y la templabilidad. La zona afectada por el calor puede enfriarse hasta formar martensita dura, y el hidrógeno difusible puede favorecer posteriormente el agrietamiento en frío. El manganeso, el cromo, el molibdeno y el níquel intensifican esta respuesta de transformación, por lo que en la práctica de la soldadura suele emplearse una evaluación del carbono equivalente en lugar de considerar únicamente el carbono. Según el tipo de acero y el espesor, pueden ser necesarios el precalentamiento, un aporte térmico controlado, procedimientos de bajo contenido de hidrógeno y un tratamiento térmico posterior a la soldadura.

El carbono también interactúa con las prácticas de microaleación en los aceros HSLA. El niobio suprime la recristalización de la austenita durante el laminado en caliente, el titanio forma precipitados estables de TiN que controlan el tamaño de grano durante el recalentamiento y el vanadio forma precipitados finos de VC o V(C,N) que aumentan el límite elástico, tal como describe AZoM. La cantidad de carbono afecta a la composición, la fracción volumétrica y la estabilidad de estos precipitados. Por tanto, un pequeño cambio composicional puede alterar tanto el comportamiento de transformación como el endurecimiento por precipitación.

El carbono en las designaciones de los aceros inoxidables y de aleación

Los grados de acero inoxidable muestran con especial claridad por qué el carbono debe interpretarse junto con el resto del sistema de aleación. El cromo favorece la formación de una película pasiva protectora de óxido de cromo, pero el carbono puede reaccionar con el cromo durante la exposición en un intervalo de temperaturas de sensibilización para formar M₂₃C₆ rico en cromo, representado habitualmente como Cr₂₃C₆, en los límites de grano. El metal adyacente puede empobrecerse en cromo y volverse más vulnerable a la corrosión intergranular. Los grados con bajo contenido de carbono, como ASTM A240 Type 304L y Type 316L, reducen este riesgo en comparación con sus equivalentes de contenido de carbono estándar, siempre que también se controlen las condiciones de fabricación y servicio.

La designación «L» significa bajo contenido de carbono; no significa que el carbono carezca de función metalúrgica. En la nomenclatura de ASTM y UNS, Type 304L corresponde a UNS S30403, mientras que Type 316L corresponde a UNS S31603. Las designaciones habituales, como Type 304 y Type 316, aún deben interpretarse junto con la norma de producto aplicable, el tratamiento térmico y el análisis real de la colada. El níquel estabiliza la austenita en estos grados, el molibdeno mejora la resistencia a la corrosión localizada en las composiciones Type 316 y el nitrógeno puede reforzar el acero inoxidable austenítico, además de afectar a la estabilidad de las fases.

Los elementos estabilizadores ofrecen otra vía. El titanio o el niobio pueden combinarse preferentemente con el carbono, formando TiC o NbC y dejando menos carbono disponible para formar carburos de cromo. Grados como Type 321 y Type 347 utilizan este principio, aunque la estabilización no elimina la necesidad de un procesamiento térmico adecuado. Los aceros inoxidables ferríticos y dúplex presentan límites diferentes: el carbono puede favorecer la formación de carburos, modificar el equilibrio ferrita-austenita y contribuir a la formación de fases secundarias que deterioran la resistencia a la corrosión o la tenacidad.

En las designaciones de los aceros de aleación, el carbono puede aparecer mediante sistemas numéricos como SAE 1045, pero la designación no constituye una predicción completa del comportamiento. El cromo, el níquel, el manganeso, el molibdeno y el procesamiento determinan si ese carbono produce perlita, bainita, martensita, carburos de aleación o austenita retenida. El carbono es el principal elemento intersticial, no un único factor de control.

4. Manganeso y silicio en aceros al carbono común y de baja aleación

La World Steel Association define el acero como una aleación de hierro y carbono que contiene menos del 2 % de carbono, en la que suelen estar presentes manganeso y cantidades menores de silicio, fósforo, azufre y oxígeno. Esta definición describe una familia de materiales, no una composición fija. El módulo sobre aceros al carbono común de Steeluniversity identifica el manganeso y el silicio, junto con el azufre, el fósforo, el aluminio, el cobre, el estaño, el cromo, el níquel y el molibdeno, como elementos que pueden influir en la resistencia, la ductilidad, la tenacidad, la maquinabilidad, la templabilidad, el tamaño de grano y la respuesta al tratamiento térmico. Sus efectos son condicionales. Una adición de manganeso en un grado estructural de bajo contenido de carbono no produce la misma microestructura que la misma adición en un acero de contenido medio de carbono templado y revenido.

El manganeso como contribuyente a la resistencia y la templabilidad

El manganeso suele estar presente en el acero al carbono común tanto como elemento de aleación como adición para el control del azufre. En la ferrita, proporciona endurecimiento por solución sólida sustitucional: los átomos de manganeso reemplazan a los átomos de hierro en la red cristalina y producen una deformación local que obstaculiza el movimiento de las dislocaciones. Steeluniversity describe esta clase de endurecimiento como consecuencia de la distorsión de la red cristalina, cuya magnitud se ve afectada por el tamaño atómico, la compresibilidad, la valencia química y la electronegatividad. El aumento resultante de la resistencia no es independiente del carbono, el tamaño de grano ni el procesamiento. Por tanto, un acero que contenga manganeso y que sea normalizado, templado o sometido a un intenso trabajo en frío puede mostrar diferente resistencia y ductilidad incluso cuando su análisis químico no ha cambiado.

El manganeso también aumenta la templabilidad. Retrasa las transformaciones por difusión de la austenita a ferrita y perlita, lo que permite que una mayor fracción de la austenita se transforme en bainita o martensita durante el enfriamiento. Por eso el manganeso es importante en los grados de contenido medio de carbono destinados al temple y revenido, y en los aceros estructurales de baja aleación en los que el espesor de la sección dificulta el endurecimiento completo. Este beneficio tiene límites. Un contenido excesivo de manganeso puede favorecer la segregación durante la solidificación, especialmente en grandes secciones coladas, y puede contribuir a la formación de estructuras bandeadas de ferrita y perlita después del laminado. Este bandeado químico puede producir diferencias direccionales en la tenacidad, el alargamiento y el comportamiento a la fractura.

El manganeso también es un estabilizador de la austenita. Puede reducir las temperaturas de transformación y modificar la temperatura de inicio de la martensita, por lo que la velocidad de temple y el ciclo de revenido seleccionados no pueden inferirse únicamente del contenido de carbono. En un grado como el ASTM A572 Grado 50, el manganeso contribuye a la resistencia y a la respuesta al procesamiento, pero las propiedades mecánicas especificadas siguen dependiendo de la práctica de laminación, el espesor de la placa, el enfriamiento y la composición completa. Del mismo modo, el ASTM A36 no puede interpretarse a partir de su contenido de manganeso como si este elemento determinara por sí solo la soldabilidad o la tenacidad.

El comportamiento del grano añade otra consideración. El manganeso puede afectar el crecimiento del grano de austenita y la cinética de transformación, pero no sustituye al laminado controlado, la normalización ni la precipitación de microaleantes. El refinamiento de grano generalmente mejora el límite elástico y la tenacidad a la fractura mediante la relación de Hall–Petch, mientras que los granos gruesos suelen reducir la tenacidad a baja temperatura. La estructura final del grano depende de la temperatura de recalentamiento, la deformación, la velocidad de enfriamiento y las interacciones con el carbono, el nitrógeno, el aluminio, el niobio o el titanio.

El silicio en la desoxidación y el endurecimiento ferrítico

El silicio tiene dos funciones especialmente importantes. En primer lugar, se utiliza como desoxidante durante la fabricación del acero. El oxígeno disuelto puede reaccionar con el carbono durante la solidificación para formar monóxido de carbono, lo que produce porosidad gaseosa y otros defectos. El silicio reacciona con el oxígeno para formar óxidos que contienen sílice y ayuda a reducir el oxígeno disuelto disponible para esa reacción. La eficacia de esta práctica depende del sistema completo de desoxidación: el aluminio, el manganeso, el potencial de oxígeno, la práctica de escorificación y la eliminación de inclusiones son factores relevantes. Por tanto, el acero «calmado al silicio» describe una condición de procesamiento y desoxidación, no una microestructura garantizada.

En segundo lugar, el silicio endurece la ferrita mediante solución sólida sustitucional. Distorsiona la red del hierro y aumenta la resistencia al movimiento de las dislocaciones, elevando a menudo el límite elástico sin añadir carbono. Esto puede ser útil cuando se requiere resistencia sin la pérdida total de soldabilidad y ductilidad asociada con un gran aumento del contenido de carbono. El silicio también afecta las transformaciones de fase y la formación de carburos. En varios sistemas de tratamiento térmico, retrasa la precipitación de cementita y modifica el equilibrio entre ferrita, perlita, bainita y austenita retenida. En consecuencia, el mismo nivel de silicio puede favorecer una estructura deseada y, al mismo tiempo, complicar otra.

El silicio no es automáticamente beneficioso para la tenacidad. Una mayor resistencia puede reducir el alargamiento uniforme, y las inclusiones no metálicas gruesas formadas durante la desoxidación pueden convertirse en sitios de iniciación de grietas si no se controlan. El silicio también puede influir en la respuesta al revenido y en la oxidación superficial durante el recalentamiento. La cuestión pertinente no es si el silicio «aumenta la resistencia», sino si su efecto de endurecimiento, la población de inclusiones y su comportamiento durante las transformaciones son adecuados para el nivel de carbono y el historial térmico del acero.

Interacciones con el azufre, el carbono y el tratamiento térmico

La interacción más clara del manganeso es con el azufre. El azufre se combina preferentemente con el manganeso para formar sulfuro de manganeso, MnS, en lugar de permitir que el sulfuro de hierro permanezca concentrado en los límites de grano. El sulfuro de hierro puede producir fragilidad en caliente durante el laminado, porque las películas de bajo punto de fusión debilitan los límites. El MnS reduce ese riesgo, pero las inclusiones no son inocuas: los sulfuros alargados producidos por el laminado pueden reducir la ductilidad transversal y la tenacidad al impacto, y pueden actuar como sitios de iniciación de la fatiga o del agrietamiento asistido por hidrógeno. El tratamiento con calcio, el control de la forma de las inclusiones y la reducción durante el laminado pueden modificar el efecto sin cambiar el análisis total de azufre.

El carbono determina la magnitud de las consecuencias de ambos elementos. Con un bajo contenido de carbono, el manganeso y el silicio modifican principalmente la resistencia de la ferrita, la fracción de perlita, la soldabilidad y las temperaturas de transformación. Con un contenido medio o alto de carbono, el manganeso aumenta la templabilidad, mientras que el silicio puede modificar la precipitación de carburos y el comportamiento durante el revenido. El temple puede producir entonces martensita a través de una sección que, de otro modo, formaría perlita, pero el aumento de la dureza conlleva un mayor riesgo de agrietamiento durante el temple, a menos que el revenido y el enfriamiento se controlen.

El historial de procesamiento puede ser más determinante que una regla de composición sencilla. La normalización refina y restablece la estructura; el recocido reduce la dureza; el temple suprime los productos de transformación por difusión; y el revenido intercambia parte de la dureza por tenacidad y estabilidad dimensional. La temperatura de laminado y la velocidad de enfriamiento determinan si la segregación del manganeso se hace visible en forma de bandas y si los aceros que contienen silicio forman la estructura ferrítico-perlítica o bainítica prevista. El informe de Nippon Steel advierte que el comportamiento de las transformaciones de fase puede variar considerablemente con una diferencia de tan solo un 1 % en la concentración de elementos de aleación, mientras que la segregación en los límites de grano y las interfases puede modificar los mecanismos de transformación.

Esta sensibilidad explica por qué las tablas de composición deben consultarse junto con las normas, la práctica siderúrgica y el tratamiento térmico. El manganeso y el silicio son elementos influyentes, como afirma Steeluniversity, pero ninguno tiene una dirección de efecto garantizada para todas las propiedades. El control del oxígeno, la morfología del azufre, el contenido de carbono, la segregación, el tamaño de grano y la trayectoria térmica determinan lo que estos elementos hacen realmente en el acero acabado.

5. Azufre, fósforo, aluminio, cobre y estaño: efectos útiles y riesgos metalúrgicos

La World Steel Association define el acero como una aleación de hierro y carbono que contiene menos de un 2 % de carbono, en la que también suelen estar presentes manganeso y cantidades menores de silicio, fósforo, azufre y oxígeno. Estas adiciones «menores» aún pueden modificar el comportamiento durante el procesamiento y el rendimiento en servicio. Steeluniversity incluye el silicio, el manganeso, el azufre, el fósforo, el aluminio, el cobre, el estaño, el cromo, el níquel y el molibdeno entre los elementos que influyen en la resistencia, la ductilidad, la tenacidad, la maquinabilidad, la templabilidad, el tamaño de grano y la respuesta al tratamiento térmico de los aceros al carbono simples.

La precisión importante es que la composición no constituye un conjunto de variables independientes. Un elemento puede estar disuelto en la ferrita, ligado en un compuesto, concentrado en un límite de grano o redistribuido durante la colada y el laminado. Según un informe técnico de Nippon Steel, un cambio de tan solo un 1 % en la concentración de un elemento de aleación puede alterar sustancialmente el comportamiento de las transformaciones de fase. Los cambios menores también pueden ser relevantes cuando afectan a las inclusiones, la precipitación o la segregación.

Azufre y maquinabilidad

A menudo se añade azufre a los aceros de fácil mecanización porque puede mejorar la fragmentación de la viruta y reducir las fuerzas de corte. Su principal vehículo metalúrgico es el sulfuro de manganeso, MnS. El manganeso se combina preferentemente con el azufre, limitando la formación de sulfuro de hierro y produciendo inclusiones de sulfuro que se deforman durante el trabajo en caliente. En el mecanizado, estas inclusiones pueden favorecer la fractura de la viruta en lugar de que esta forme una cinta larga y continua. El resultado puede ser un mejor acabado superficial, una menor carga sobre la herramienta y un corte automatizado más uniforme.

Este beneficio tiene un costo. Las inclusiones de MnS son discontinuidades en la matriz del acero, y su forma, tamaño, número y orientación afectan al comportamiento mecánico. El laminado en caliente suele alargar los sulfuros en la dirección de laminado, produciendo propiedades direccionales. Por consiguiente, la ductilidad a la tracción y la tenacidad al impacto medidas transversalmente a la dirección de laminado pueden ser inferiores a los valores medidos longitudinalmente. Las inclusiones grandes o agrupadas son más perjudiciales que una población fina y dispersa.

El azufre también puede reducir la soldabilidad y deteriorar la tenacidad cuando el acero presenta un equilibrio desfavorable entre manganeso y azufre. El manganeso es necesario para fijar el azufre como MnS; si el manganeso disponible es insuficiente, el sulfuro de hierro puede contribuir a la fragilidad en caliente durante la deformación a temperaturas elevadas. La respuesta exacta depende de la concentración de azufre, la concentración de manganeso, la morfología de las inclusiones, la reducción durante el laminado y la dirección final de servicio.

El azufre puede mejorar la maquinabilidad, pero puede reducir la ductilidad transversal, la tenacidad al impacto, la resistencia a la fatiga o el comportamiento durante la soldadura. Limited evidence

Por tanto, afirmar que «el azufre mejora la maquinabilidad» es una afirmación incompleta. Es cierto para una operación de corte diseñada para un acero de fácil mecanización, pero la misma adición de azufre puede ser indeseable en un componente que requiera una elevada tenacidad transversal, resistencia a la fatiga o un comportamiento fiable durante la soldadura. Un grado de acero para mejorar la maquinabilidad no es automáticamente un mejor grado estructural. El efecto útil depende del proceso específico.

Fósforo, tenacidad y segregación

El fósforo es un elemento sustitucional en el hierro y puede contribuir al endurecimiento por solución sólida. Steeluniversity explica que el endurecimiento sustitucional resulta de la distorsión de la red cristalina, cuya magnitud está relacionada con el tamaño atómico, la compresibilidad, la valencia química y la electronegatividad. Por tanto, el fósforo puede aumentar la resistencia, pero una mayor resistencia no garantiza un mejor rendimiento: la ductilidad y la tenacidad pueden disminuir, especialmente cuando el fósforo se concentra en regiones vulnerables.

La principal preocupación es la segregación. Durante la solidificación, el fósforo puede repartirse de manera desigual entre el sólido en crecimiento y el líquido restante. El último líquido en solidificarse puede enriquecerse, dejando bandas o regiones localizadas con un mayor contenido de fósforo. El laminado posterior puede estirar estas variaciones de composición y convertirlas en estructuras bandeadas. El enriquecimiento de los límites de grano también es significativo, ya que la resistencia a la fractura depende de la química y la cohesión de los límites, no solo de la composición media medida para toda la colada.

Un contenido elevado de fósforo se asocia con una menor ductilidad y un mayor riesgo de fractura frágil, especialmente cuando se combina con granos gruesos, bajas temperaturas, un alto grado de restricción u otras condiciones que favorecen la fragilización. El efecto no constituye una penalización fija para cualquier concentración. Un pequeño contenido de fósforo disuelto de manera relativamente uniforme puede tener consecuencias diferentes de las de la misma adición nominal concentrada en regiones interdendríticas o límites de grano.

El historial de procesamiento determina cuánto riesgo persiste. El recalentamiento y el laminado pueden fragmentar los patrones de segregación, modificar el tamaño de grano y cambiar la distribución de las segundas fases, pero no vuelven irrelevante la composición. La velocidad de enfriamiento después del trabajo en caliente y el tratamiento térmico posterior también influyen en la microestructura final. La advertencia de Nippon Steel sobre los grandes cambios en el comportamiento de las transformaciones provocados por una diferencia de composición del 1 % ilustra por qué la composición nominal, por sí sola, no puede predecir la tenacidad.

Por tanto, el fósforo ocupa una posición incómoda: puede aportar resistencia y favorecer ciertas rutas de fabricación, pero un contenido excesivo o una distribución no uniforme pueden reducir la ductilidad y la tenacidad al impacto. Una evaluación correcta requiere conocer el grado de acero, el espesor del producto, el ciclo térmico, la dirección de ensayo y la temperatura de servicio prevista.

Aluminio, cobre y estaño como elementos de proceso o residuales

El aluminio se asocia ampliamente con la desoxidación del acero. Durante la fabricación del acero, el oxígeno disuelto puede reaccionar con el aluminio para formar óxido de aluminio, Al₂O₃. La eliminación del oxígeno modifica la limpieza y el comportamiento de solidificación de la masa fundida, mientras que el contenido de aluminio restante también puede afectar al control del tamaño de grano. El aluminio puede combinarse con el nitrógeno para formar nitruro de aluminio, AlN; el tamaño, la distribución y el estado de disolución de estas partículas influyen en el desarrollo del grano de austenita durante el recalentamiento. Se trata de un efecto del proceso, no de una promesa universal de granos más finos bajo cualquier ciclo térmico.

Un exceso de aluminio o un control deficiente del mismo puede generar inclusiones de óxido o modificar el comportamiento durante la colada. El resultado depende de la actividad del oxígeno, el contenido de nitrógeno, la temperatura de tratamiento, las condiciones de solidificación y la práctica de recalentamiento. Por tanto, afirmar que «el aluminio afina los granos» es demasiado general, a menos que se especifiquen la ruta de fabricación del acero y la población de partículas.

Steeluniversity identifica el cobre y el estaño como elementos que influyen en las propiedades de los aceros al carbono simples, pero a menudo se abordan como elementos residuales y no como adiciones principales deliberadas. El cobre puede permanecer procedente de materias primas recicladas y afectar a las transformaciones, la resistencia, el comportamiento frente a la oxidación y la respuesta al trabajo en caliente cuando su concentración alcanza niveles significativos. El estaño puede acompañar a esas mismas materias primas y modificar el comportamiento del acero en bajas concentraciones o volverse más perjudicial a medida que se acumula. Sus efectos no pueden determinarse únicamente por el nombre del elemento.

El cobre y el estaño son especialmente sensibles a la concentración y al historial de procesamiento, porque su distribución cambia durante la fusión, la solidificación, el recalentamiento y la deformación. Un nivel residual que no produzca cambios importantes en un producto puede ser relevante en otro con diferente contenido de carbono, velocidad de enfriamiento, estado superficial o programa de trabajo en caliente. El comportamiento rico en cobre cerca de la superficie durante el recalentamiento puede ser particularmente relevante para el riesgo de fragilidad en caliente, pero la gravedad depende de la composición completa y de la práctica del horno, no solo del cobre.

La lección práctica no es que el azufre, el fósforo, el aluminio, el cobre o el estaño deban minimizarse siempre o añadirse siempre. Cada uno puede cumplir una función controlada o generar un defecto, dependiendo de dónde se encuentre, qué compuestos forme y qué historial térmico y mecánico reciba el acero. En consecuencia, la lista de elementos de Steeluniversity es un mapa de variables, no un catálogo de efectos garantizados. La composición debe analizarse junto con la constitución de fases, la segregación, la morfología de las inclusiones, el tamaño de grano y el historial de procesamiento.

6. Cromo: Templabilidad, Resistencia a la Oxidación y Pasivación

A menudo se describe el cromo como si simplemente «convirtiera el acero en inoxidable». Esta descripción confunde dos efectos diferentes. El cromo disuelto en el acero puede modificar las transformaciones de fase, la templabilidad, la formación de carburos y la resistencia a altas temperaturas. El cromo presente en una superficie limpia y expuesta puede reaccionar con el oxígeno y formar una película delgada de óxido de cromo que ralentiza el ataque posterior. El primer efecto es un efecto metalúrgico en masa; el segundo es la pasivación superficial. Están relacionados, pero no son intercambiables.

La World Steel Association define el acero como una aleación de hierro y carbono que contiene menos de un 2 % de carbono. A continuación, el cromo puede añadirse en cantidades que van desde una pequeña adición de aleación en los aceros de ingeniería hasta aproximadamente un 10,5 % o más en los aceros inoxidables. La composición por sí sola no determina el resultado. La velocidad de enfriamiento, la temperatura de austenización, el tamaño de grano previo, la actividad del carbono, la segregación, los ciclos térmicos de soldadura y la presencia de níquel, molibdeno, nitrógeno, manganeso y elementos estabilizantes modifican todos el efecto práctico del cromo. Nippon Steel informa de que el comportamiento de las transformaciones de fase del acero puede cambiar sustancialmente con solo una diferencia del 1 % en la concentración de los elementos de aleación, una advertencia útil contra la consideración de una designación de aleación como una descripción completa de su microestructura.

Cromo en aceros de baja aleación y resistentes al calor

En el acero de baja aleación, el cromo aumenta la templabilidad al retrasar las transformaciones de la austenita en ferrita, perlita y bainita durante el enfriamiento. Por tanto, una sección más gruesa puede formar martensita, o una mayor fracción de bainita, a una velocidad de enfriamiento que dejaría parcialmente perlítico a un acero al carbono sin alear. El cromo no hace que todas las zonas de un componente alcancen la misma dureza. El resultado sigue dependiendo del contenido de carbono, el tamaño de la sección, el tamaño de grano de la austenita, la severidad del temple y el tratamiento de revenido.

El cromo actúa principalmente como soluto sustitucional en la ferrita y la austenita. Steeluniversity explica que la aleación sustitucional refuerza una red cristalina mediante distorsión, cuya magnitud se ve afectada por el tamaño atómico, la compresibilidad, la valencia química y la electronegatividad. Por tanto, el cromo puede contribuir al endurecimiento por solución sólida, aunque sus efectos más importantes en muchos aceros tratados térmicamente proceden de la cinética de transformación y de la química de los carburos, más que de la deformación de la red por sí sola.

El carbono modifica este equilibrio. El cromo tiene una fuerte afinidad por el carbono y puede formar carburos ricos en cromo, incluida la familia M${}_{23}$C${}_6$, en la que M puede ser principalmente cromo, con aportaciones de hierro y otros elementos metálicos. En los aceros resistentes al calor diseñados adecuadamente, las partículas de carburo ayudan a resistir la fluencia y el deslizamiento de los límites de grano. Una formación excesiva o mal controlada de carburos puede retirar cromo de la matriz circundante, reducir la resistencia local a la corrosión y producir microestructuras frágiles o difíciles de soldar.

El cromo también mejora la resistencia a la oxidación a temperaturas elevadas. Una superficie que contiene cromo puede formar una capa de óxido relativamente adherente, reduciendo la velocidad a la que el hierro continúa oxidándose. Esto no equivale a afirmar que cualquier acero de baja aleación que contenga cromo se comporte como un acero inoxidable en aire, vapor o gases de combustión. La estabilidad del óxido depende de la concentración de cromo, la temperatura, la composición del gas, el estado de la superficie, los ciclos térmicos y de que la capa permanezca continua. El silicio y el aluminio también pueden modificar la formación de capas protectoras a alta temperatura, mientras que el níquel afecta a la estabilidad de fase y a la expansión térmica.

Los aceros ferríticos resistentes al calor y los aceros martensíticos al cromo ilustran estas compensaciones. Un mayor contenido de cromo puede mejorar la resistencia a la oxidación, pero también puede favorecer la estabilidad de la ferrita y modificar la cantidad de austenita disponible durante el tratamiento térmico. Posteriormente, el carbono, el molibdeno, el vanadio, el niobio y el wolframio pueden controlar la precipitación de carburos o carbonitruros y la resistencia a la fluencia. Un aumento nominal del cromo puede producir un resultado diferente después de la normalización, el temple, el revenido, la soldadura o una exposición prolongada en servicio.

La misma relación entre composición y procesamiento aparece en el acero HSLA, incluso cuando el cromo no es el principal elemento de refuerzo. AZoM describe el niobio como un elemento que suprime la recristalización de la austenita durante el laminado en caliente, el titanio como formador de precipitados estables de TiN que controlan el tamaño de grano durante el recalentamiento, y el vanadio como formador de precipitados finos de VC o V(C,N) que elevan el límite elástico. El cromo interactúa con estas adiciones al modificar la estabilidad de la austenita, las condiciones de precipitación y las temperaturas de transformación. No es un interruptor aislado de la templabilidad.

Pasivación mediante óxido de cromo en el acero inoxidable

El acero inoxidable requiere suficiente cromo en la matriz para mantener una superficie pasiva protectora. El umbral habitual es de aproximadamente un 10,5 % de cromo en masa, pero esta cifra es un límite de clasificación, no una garantía de un comportamiento idéntico en servicio. El grado, el estado de la superficie, el entorno, las inclusiones, el historial de soldadura y la contaminación son factores relevantes.

El cromo favorece la pasivación inoxidable al formar una película delgada y adherente de óxido de cromo sobre una superficie expuesta. Strong evidence

El mecanismo descrito por thyssenkrupp Materials es directo: el cromo reacciona con el oxígeno para formar una capa protectora de óxido de cromo. Esta película es extremadamente delgada, adherente y capaz de regenerarse cuando hay oxígeno disponible después de daños mecánicos menores. Separa la aleación subyacente, rica en hierro, del entorno y reduce considerablemente la velocidad de disolución posterior. Por tanto, la pasivación es una reacción superficial, no un aumento de la dureza en masa.

Un acero puede contener una cantidad considerable de cromo y, aun así, sufrir corrosión localizada si la película pasiva se daña o se desestabiliza químicamente. Los iones cloruro, las hendiduras, los depósitos, las condiciones ácidas, la contaminación por hierro, las superficies rugosas y los efectos térmicos de la soldadura pueden iniciar corrosión por picaduras o corrosión en hendiduras. El molibdeno mejora la resistencia a las picaduras inducidas por cloruros y es una de las principales razones por las que EN 1.4401 / X5CrNiMo17-12-2 y AISI 316 suelen resistir estos entornos mejor que EN 1.4301 / X5CrNi18-10 y AISI 304. Estas designaciones identifican intervalos de composición; no eliminan las diferencias causadas por la fabricación o la exposición.

El níquel estabiliza la austenita y ayuda a conservar la estructura cúbica centrada en las caras a temperatura ambiente. También afecta a la tenacidad, el endurecimiento por deformación, la expansión térmica y el equilibrio entre ferrita y austenita durante la soldadura. El nitrógeno puede reforzar el acero inoxidable austenítico y mejorar la resistencia a la corrosión localizada, mientras que el molibdeno contribuye a la resistencia a las picaduras. Sus efectos dependen de la concentración y de las interacciones entre ellos. El cromo proporciona la química esencial para la pasivación, pero el comportamiento del acero inoxidable es una propiedad del sistema formado por la aleación y su estado.

Cromo, carbono y sensibilización

La advertencia más importante sobre el cromo en el acero inoxidable austenítico se refiere al carbono en los límites de grano. Durante el calentamiento en un intervalo aproximado de 500–850 °C, pueden precipitar carburos M${}_{23}$C${}_6$ ricos en cromo en los límites de grano de la austenita si el carbono puede difundirse hasta ellos. La matriz adyacente queda entonces empobrecida en cromo. Aunque la composición global pueda contener suficiente cromo para que el material se clasifique como inoxidable, unas zonas estrechas empobrecidas en cromo pueden perder la pasividad y volverse vulnerables a la corrosión intergranular.

SensibilizaciónSensibilización Condición de un acero inoxidable en la que se forman carburos ricos en cromo en los límites de grano y dejan empobrecidas en cromo las regiones adyacentes.

Esta condición se denomina sensibilización. Es especialmente relevante después de la soldadura, porque la zona afectada térmicamente puede permanecer el tiempo suficiente en el intervalo de sensibilización para que se produzca la precipitación de carburos. Un enfriamiento rápido puede reducir la exposición, pero el procedimiento de soldadura, el espesor de la chapa, el aporte térmico, la restricción y el historial térmico previo determinan el resultado real.

Los grados bajos en carbono, como EN 1.4307 / X2CrNi18-9 y EN 1.4404 / X2CrNiMo17-12-2, reducen el carbono disponible y, por tanto, la tendencia a formar carburos de cromo. Los grados estabilizados añaden titanio o niobio, que se unen preferentemente al carbono formando TiC o NbC. De este modo, el cromo permanece más disponible en la matriz para la pasivación. La estabilización no es una solución universal: un exceso de precipitados, un tratamiento térmico incorrecto o una exposición térmica posterior pueden generar otros problemas microestructurales.

El carbono sigue siendo útil. Refuerza la austenita y puede contribuir a la resistencia al desgaste, mientras que el carbono y el nitrógeno influyen en la energía de falla de apilamiento y en el endurecimiento por deformación. La dificultad consiste en controlar dónde se concentra el carbono y qué compuestos se forman. Pueden estar presentes el cromo, el níquel, el molibdeno, el nitrógeno, el titanio y el niobio, pero sus efectos dependen de la estabilidad de fase, la precipitación, la segregación y el historial de procesamiento. El cromo es esencial para la pasivación, pero no actúa por sí solo, y una designación de acero inoxidable no puede predecir el comportamiento sin conocer la microestructura creada durante el procesamiento.

7. El níquel y el control del comportamiento austenítico y ferrítico

El níquel suele describirse como un elemento de refuerzo, pero esa descripción es incompleta. Su efecto depende de si permanece disuelto en la ferrita, estabiliza la austenita, promueve una estructura de fases mixtas o modifica la trayectoria de transformación durante el enfriamiento y la fabricación. La misma adición que mejora la tenacidad a baja temperatura en un acero ferrítico para recipientes a presión también puede mantener estable la austenita en el acero inoxidable, alterando el endurecimiento por deformación, la solidificación de la soldadura y la cantidad de martensita formada durante la deformación.

Esta distinción es importante porque el acero no posee una única estructura cristalina. Tal como lo define la World Steel Association, el acero es una aleación de hierro y carbono que contiene menos del 2 % de carbono, con otros elementos añadidos en cantidades menores o mayores. El níquel ocupa posiciones sustitucionales en la red cristalina del hierro. Steeluniversity explica que el endurecimiento por sustitución es consecuencia de la distorsión de la red, cuya magnitud se ve afectada por el tamaño atómico, la compresibilidad, la valencia química y la electronegatividad. Por tanto, el níquel modifica tanto la resistencia al movimiento de las dislocaciones como la estabilidad de las fases a través de las cuales se desplazan dichas dislocaciones.

El níquel como elemento de refuerzo y mejora de la tenacidad

En el acero ferrítico, el níquel contribuye al endurecimiento por solución sólida sustitucional. Los átomos de níquel difieren del hierro en tamaño y comportamiento de enlace, por lo que su presencia produce campos locales de deformación elástica. Una dislocación en movimiento interactúa con esos campos y requiere una tensión aplicada mayor para continuar desplazándose. El aumento de la resistencia a la fluencia suele ser moderado en comparación con el endurecimiento por precipitación o la transformación martensítica, pero resulta útil porque el níquel puede reforzar la ferrita sin provocar la grave pérdida de ductilidad asociada con un exceso de carbono o con fases secundarias duras.

A menudo, la contribución más importante es la tenacidad. El análisis de AZoM sobre los elementos de los aceros aleados identifica al níquel como un elemento que refuerza y mejora la tenacidad del acero ferrítico, y cuyo beneficio adquiere especial importancia a temperaturas bajo cero. Esto no constituye una regla universal de «más níquel, más resistencia». El níquel afecta a la transformación de ferrita en austenita, a la deformación a escala de grano y a la temperatura a la que la fractura por clivaje compite eficazmente con la fractura dúctil. En composiciones y tratamientos térmicos adecuados, reduce la temperatura de transición dúctil-frágil y ayuda al acero ferrítico a absorber energía de impacto en servicio a bajas temperaturas.

El resultado es una combinación útil: mayor resistencia junto con una mejor resistencia a la fractura frágil. Esta combinación explica el uso de aceros para bajas temperaturas que contienen níquel, como los aceros para recipientes a presión con un 9 % de níquel contemplados por ASTM A553/A553M. Su comportamiento no depende únicamente del níquel. El contenido de carbono, el manganeso, el tratamiento térmico, la austenita retenida, la morfología de la martensita, el tamaño de grano y los ciclos térmicos de soldadura influyen en la tenacidad final. El níquel es una parte de un diseño controlado de las fases y de la microestructura.

La composición también debe considerarse una variable estrecha, en lugar de una receta fija. Nippon Steel informa de que el comportamiento de transformación de fases del acero puede variar considerablemente con una diferencia de tan solo un 1 % en la concentración de los elementos de aleación. La implicación práctica es importante: un contenido nominal de níquel no permite predecir las propiedades sin conocer la composición completa y el historial térmico. La segregación durante la solidificación puede hacer que la concentración de níquel varíe localmente, mientras que la soldadura puede producir regiones con diferentes velocidades de enfriamiento y fracciones de fase respecto a la chapa de partida.

Tenacidad a temperaturas bajo cero en el acero ferrítico

Los aceros ferríticos poseen una estructura cúbica centrada en el cuerpo, y muchos aceros BCC muestran una marcada dependencia de la temperatura en su comportamiento frente a la fractura. A temperaturas más altas, el flujo plástico en la punta de una grieta puede embotarla y favorecer la fractura dúctil. A medida que desciende la temperatura, el movimiento de las dislocaciones se vuelve más difícil, el clivaje se hace más competitivo y la tenacidad al impacto puede disminuir bruscamente. El níquel es valioso porque puede desplazar esta transición hacia temperaturas más bajas.

Este beneficio no debe confundirse con la eliminación completa de los riesgos a baja temperatura. Una estructura de grano ferrítico grueso, la segregación de fósforo, la martensita no revenida, los defectos de soldadura o una fase secundaria frágil continua aún pueden causar una fractura prematura. El níquel puede mejorar la respuesta de la matriz mientras otra característica controla el fallo. El refinamiento de grano es especialmente importante, porque los granos de ferrita más pequeños generalmente elevan la tensión de fractura por clivaje y reducen la temperatura de transición efectiva.

Por tanto, los aceros ferríticos que contienen níquel requieren control del proceso. La normalización, el temple y revenido, el tratamiento intercrítico y la soldadura producen distribuciones diferentes de ferrita, bainita, martensita y austenita retenida. El contenido de níquel afecta a las temperaturas de transformación y a la templabilidad, pero no determina por sí solo la estructura final. Una velocidad de enfriamiento que produce bainita tenaz en un espesor de chapa puede producir una estructura más dura y menos tolerante en otro.

A temperaturas criogénicas, la distinción entre resistencia y tenacidad se vuelve especialmente clara. La resistencia puede aumentar al descender la temperatura, mientras que la resistencia a la fractura disminuye. El níquel es valioso porque puede mejorar ambas partes de este equilibrio en aceros ferríticos diseñados adecuadamente, en lugar de limitarse a aumentar la tensión necesaria para alcanzar la fluencia.

El níquel y la estabilidad de la austenita en el acero inoxidable

En el acero inoxidable austenítico, el níquel desempeña una función central diferente: estabiliza la fase austenítica cúbica centrada en las caras. El cromo proporciona la película de óxido rica en cromo responsable de la pasivación del acero inoxidable, mientras que el níquel ayuda a conservar la austenita a temperatura ambiente después del trabajo en caliente, el recocido de disolución y el enfriamiento. Grados comunes como UNS S30400, designado como Tipo 304 conforme a ASTM A240, y UNS S31603, designado habitualmente como Tipo 316L conforme a ASTM A240, combinan cantidades importantes de cromo y níquel; el Tipo 316L también contiene molibdeno para mejorar la resistencia a la corrosión localizada.

La estabilidad de la austenita controla el comportamiento durante la fabricación. Por lo general, los aceros inoxidables austeníticos no pueden reforzarse mediante el endurecimiento convencional por temple, porque el enfriamiento no transforma la matriz en martensita ordinaria de carbono. En su lugar, adquieren resistencia mediante solución sólida, control del tamaño de grano y trabajo en frío. Una austenita estable permanece dúctil durante el conformado, pero una estabilidad insuficiente puede permitir la formación de martensita inducida por la deformación. Esta transformación aumenta la resistencia y el endurecimiento por deformación, al tiempo que reduce la previsibilidad dimensional y, en algunos casos, el comportamiento frente a la corrosión.

Las directrices de Steeluniversity sobre fabricación consideran el níquel parte de un equilibrio composicional, no un control aislado. El cromo, el níquel, el carbono, el nitrógeno, el molibdeno, el manganeso y las adiciones estabilizadoras, como el titanio o el niobio, afectan conjuntamente al equilibrio de fases y a la respuesta durante el procesamiento. Una aleación de tipo 304 con menor estabilidad de la austenita puede formar más martensita inducida por la deformación durante un conformado intenso en frío que una composición con mayor contenido de níquel. Por el contrario, una estabilidad excesiva de la austenita puede modificar el comportamiento de solidificación del metal de soldadura y reducir la ferrita que a menudo se conserva en los depósitos de soldadura austeníticos para disminuir la susceptibilidad al agrietamiento durante la solidificación.

La ruta de fabricación importa tanto como el grado nominal. La temperatura de trabajo en caliente, la práctica de recocido de disolución, la velocidad de enfriamiento, la deformación y el aporte térmico de la soldadura pueden modificar el contenido de ferrita, el riesgo de formación de fase sigma, la precipitación de carburos y las tensiones residuales. El carbono puede producir carburos de cromo en los límites de grano durante una exposición térmica inadecuada, causando sensibilización; las designaciones de bajo contenido de carbono, como 316L, reducen ese riesgo, pero no hacen irrelevante el historial térmico. El nitrógeno puede reforzar la austenita e influir en la resistencia a la corrosión por picadura, mientras que el molibdeno modifica el comportamiento frente a la corrosión sin constituir un sustituto simple del níquel.

Por tanto, al níquel no se le puede atribuir un único resultado garantizado. En el acero ferrítico puede proporcionar endurecimiento por solución sólida y, sobre todo, una mejor tenacidad a temperaturas bajo cero. En el acero inoxidable austenítico estabiliza la fase FCC y modifica el conformado, el endurecimiento por deformación, la soldadura y el comportamiento de transformación. El efecto depende de la constitución de fases y del historial de procesamiento, no del elemento considerado de forma aislada.

8. Molibdeno, nitrógeno y estabilidad de las microestructuras del acero inoxidable

El molibdeno y el nitrógeno se analizan junto con el cromo y el níquel porque el comportamiento del acero inoxidable está controlado por un sistema químico y de fases acoplado, no únicamente por el contenido de cromo. El cromo proporciona las condiciones para formar una película protectora de óxido rica en cromo; el níquel afecta el equilibrio entre la ferrita y la austenita; el molibdeno modifica el comportamiento frente a la corrosión localizada y la estabilidad de las fases; y el nitrógeno influye tanto en la estabilidad de la austenita como en la resistencia. Posteriormente, el carbono, el manganeso, el silicio y el historial de fabricación modifican el resultado.

La distinción es importante incluso dentro de una misma familia de calidades. La composición nominal de un acero inoxidable austenítico no determina de forma unívoca su comportamiento en servicio después del laminado, la soldadura, el conformado o el tratamiento térmico. El informe de Nippon Steel advierte que el comportamiento de transformación de fases puede cambiar sustancialmente con una diferencia de tan solo un 1 % en la concentración de los elementos de aleación. La segregación en los límites de grano y las interfaces también puede hacer que la composición local difiera del análisis químico global.

Molibdeno y diseño de aleaciones relacionado con la corrosión

El molibdeno es un elemento de aleación sustitucional. Como explica Steeluniversity, el endurecimiento sustitucional se debe en parte a la distorsión de la red cristalina, cuya magnitud depende del tamaño atómico, la compresibilidad, la valencia química y la electronegatividad. Sin embargo, en el acero inoxidable, el molibdeno rara vez se añade únicamente para aumentar la resistencia a la tracción. Su función de diseño más importante es proporcionar resistencia al ataque localizado, especialmente a la corrosión por picaduras y por hendiduras en entornos que contienen cloruros.

PREN = %Cr + 3.3(%Mo) + 16(%N) puede comparar las tendencias de resistencia a la picadura, pero por sí solo no puede predecir la vida útil en servicio. Preliminary evidence

Una película pasiva de óxido de cromo puede deteriorarse en un defecto local o bajo un depósito. El molibdeno modifica la química del metal y el proceso de repasivación alrededor de esos puntos, reduciendo la tendencia de una pequeña picadura a convertirse en una cavidad estable y creciente. Por este motivo, las comparaciones entre aleaciones suelen utilizar una relación de equivalencia de resistencia a la picadura, como PREN = %Cr + 3.3(%Mo) + 16(%N). La expresión es un índice de evaluación preliminar, no una ecuación de vida útil en servicio. El estado superficial, la concentración de cloruros, la temperatura, la acidez, las inclusiones, la oxidación de la soldadura y la geometría de las hendiduras pueden tener un efecto mayor que una diferencia moderada de composición.

El contraste entre designaciones austeníticas comunes ilustra este aspecto sin convertir al molibdeno en una garantía aislada. ASTM A240 Type 304 y Type 316 son aceros inoxidables austeníticos al cromo-níquel, pero Type 316 incluye molibdeno en su composición especificada, mientras que Type 304 no. Las designaciones UNS asociadas habitualmente con estas composiciones son UNS S30400 y UNS S31600; las variantes con bajo contenido de carbono incluyen UNS S30403 y UNS S31603. Sus respuestas diferentes en servicio con cloruros se deben a los efectos combinados del cromo, el níquel, el molibdeno, el nitrógeno, el carbono, las inclusiones y el procesamiento, no a un único «efecto del molibdeno».

El molibdeno también modifica la estabilidad de las fases. En relación con el níquel, generalmente favorece la ferrita, por lo que su aumento puede reducir el margen de austenita o favorecer la presencia de ferrita en una estructura de solidificación de la soldadura. Este equilibrio se gestiona mediante la composición completa y el ciclo térmico. Una soldadura puede solidificarse con cierta cantidad de ferrita delta, mientras que el material base trabajado puede ser predominantemente austenítico. Un exceso de ferrita, o la transformación posterior de la ferrita en constituyentes intermetálicos frágiles, puede perjudicar la tenacidad y la resistencia a la corrosión.

Nitrógeno, estabilidad de la austenita y resistencia

El nitrógeno ocupa posiciones intersticiales en la red del hierro, por lo que su mecanismo de endurecimiento difiere del del molibdeno. Produce deformación de la red e interactúa intensamente con las dislocaciones. En los aceros inoxidables al cromo-níquel, el nitrógeno también es un potente estabilizador de la austenita. Por tanto, puede sustituir parte del níquel necesario para retener la austenita, aunque el equilibrio depende del cromo, el níquel, el manganeso, el molibdeno, el carbono, la temperatura y la velocidad de enfriamiento.

Este equilibrio es específico de cada calidad. Una composición que permanece completamente austenítica después del recocido de solubilización puede formar ferrita durante la soldadura, mientras que una región endurecida por trabajo en frío puede desarrollar martensita inducida por deformación si su estabilidad austenítica es insuficiente. En muchas composiciones austeníticas, el nitrógeno aumenta la resistencia a dicha transformación, pero no elimina los efectos de la baja temperatura, la deformación o una composición desfavorable.

El nitrógeno contribuye considerablemente al endurecimiento por solución sólida y puede aumentar el límite elástico sin producir el mismo mecanismo de sensibilización relacionado con los carburos que se asocia con un exceso de carbono. También suele aumentar la capacidad de endurecimiento por deformación. Durante el conformado, esto significa que el metal puede seguir endureciéndose rápidamente a medida que se acumula la deformación plástica; el beneficio en resistencia puede ir acompañado de mayores cargas de conformado y de una mayor necesidad de controlar la uniformidad de la deformación. En servicio, una elevada respuesta de endurecimiento por deformación puede mejorar la resistencia a la deformación plástica localizada, pero el resultado sigue dependiendo del tamaño de grano, la textura, las inclusiones y el trabajo en frío previo.

El nitrógeno no está exento de limitaciones de procesamiento. Su solubilidad en el acero líquido y sólido depende de la temperatura y la composición, y un exceso de nitrógeno puede favorecer la porosidad gaseosa, la formación de nitruros o estructuras de solidificación no deseadas. El molibdeno y el cromo aumentan la tendencia a formar determinados nitruros porque modifican la actividad química y la estabilidad de las fases. Por tanto, el nitrógeno puede favorecer la austenita en la matriz, al mismo tiempo que la precipitación lo elimina localmente de ella.

Fases secundarias y respuesta a la fabricación

El mecanismo de sensibilización más conocido implica la formación de carburo de cromo, comúnmente escrito como Cr23C6, en los límites de grano de la austenita durante una exposición térmica desfavorable. El cromo se consume localmente junto al límite, dejando una zona empobrecida en cromo donde la corrosión intergranular resulta más fácil. Las calidades con bajo contenido de carbono, como UNS S31603, limitan el carbono disponible; las calidades estabilizadas utilizan elementos como el titanio o el niobio para fijar preferentemente el carbono. Ninguno de estos enfoques hace irrelevante la soldadura: el aporte térmico, la velocidad de enfriamiento, la restricción de la unión, el espesor y la exposición térmica posterior siguen determinando la microestructura.

Los aceros inoxidables austeníticos que contienen molibdeno y cromo también pueden formar fase sigma, fase chi, fase de Laves o diversos carburos y nitruros durante exposiciones prolongadas en intervalos de temperatura intermedios o durante ciclos de soldadura repetidos. Estas fases extraen cromo, molibdeno o nitrógeno de la matriz austenítica y pueden fragilizar el material. Por tanto, una composición que mejora la resistencia a los cloruros en la condición de recocido de solubilización puede volverse menos resistente después de un ciclo de fabricación inadecuado.

La soldadura hace visible esta interacción. La segregación durante la solidificación puede concentrar elementos formadores de ferrita en las regiones interdendríticas, mientras que el nitrógeno y el níquel influyen en que el metal de soldadura solidifique como austenita, ferrita o una estructura mixta. Un exceso de ferrita delta puede reducir la ductilidad o favorecer la formación de fases secundarias durante el servicio; una cantidad insuficiente de ferrita en ciertas composiciones del metal de soldadura puede aumentar la susceptibilidad a la fisuración en caliente. La limpieza posterior a la soldadura también es importante, ya que la coloración térmica puede dejar una superficie empobrecida en cromo o cubierta de óxido, incluso cuando la composición global subyacente no ha cambiado.

El mismo principio se aplica a la fabricación en caliente y en frío. El recocido de solubilización disuelve muchos precipitados no deseados y restablece una distribución más uniforme, pero la temperatura necesaria y el temple dependen de la calidad y de la sección. El trabajo en frío aumenta la resistencia mediante la acumulación de dislocaciones y puede modificar la respuesta magnética o desencadenar una transformación martensítica en una austenita metaestable. Ningún elemento de aleación garantiza un resultado fijo. El molibdeno, el nitrógeno, el cromo y el níquel deben analizarse conjuntamente con el nivel de carbono, la constitución de fases, la segregación, el historial de precipitación y la ruta de fabricación real.

9. Vanadio, niobio y titanio en el acero HSLA

El acero de alta resistencia y baja aleación (HSLA) ofrece el ejemplo más claro de una aleación sensible al proceso. Pequeñas adiciones de vanadio, niobio o titanio no son simplemente ingredientes que producen una propiedad fija. Sus efectos dependen de la concentración, la disponibilidad de carbono y nitrógeno, la temperatura de recalentamiento, el programa de laminación, la velocidad de enfriamiento y la ubicación de los átomos después de la solidificación. Un fabricante de acero puede añadir el mismo elemento a dos coladas y obtener microestructuras diferentes si difieren los historiales térmico y de deformación.

Esta distinción es importante porque los tres elementos actúan mediante mecanismos diferentes. El vanadio aumenta principalmente la resistencia mediante precipitación en la ferrita. El niobio modifica sobre todo lo que sucede en la austenita durante la laminación en caliente, retrasando la recristalización y ayudando a conservar el afino de grano producido por la deformación. El titanio forma nitruro de titanio, TiN, excepcionalmente estable, que fija los límites de grano de la austenita durante el recalentamiento. Estos mecanismos pueden operar en el mismo acero, pero no tienen lugar en la misma etapa ni producen el mismo resultado microestructural.

Los grados HSLA ilustran por qué la composición no puede interpretarse como una garantía. ASTM A572/A572M Grado 50 y ASTM A588/A588M se especifican mediante requisitos mecánicos y químicos, pero sus propiedades finales también dependen de la práctica de laminación y enfriamiento. La World Steel Association define el acero como una aleación de hierro y carbono que contiene menos de un 2 % de carbono; las pequeñas adiciones que van más allá del hierro y el carbono pueden modificar de manera desproporcionada el comportamiento de transformación. Nippon Steel informa de que el comportamiento de transformación de fases del acero puede variar sustancialmente con una diferencia de tan solo un 1 % en la concentración de elementos de aleación. En los niveles de adición propios de los aceros HSLA, cambios mucho menores en el estado de precipitación o en el historial térmico también pueden ser relevantes.

Precipitación de carburo y carbonitruro de vanadio

El vanadio refuerza el acero HSLA principalmente cuando precipita en forma de carburo de vanadio fino, VC, o de carbonitruro de vanadio, V(C,N). Durante el trabajo en caliente, gran parte del vanadio puede permanecer disuelta en la austenita. A medida que el acero se enfría y se forma la ferrita, cambia la solubilidad del vanadio y del carbono o nitrógeno. Entonces pueden nuclearse partículas finas dentro de la ferrita o cerca de las interfases. Estas partículas obstaculizan el movimiento de las dislocaciones, por lo que se requiere una tensión aplicada mayor para que se produzca la fluencia plástica.

Esto es un endurecimiento por precipitación, no simplemente un endurecimiento por solución sólida. Un átomo de vanadio disuelto en la red de hierro distorsiona dicha red y puede contribuir al endurecimiento por solución sólida, tal como explica Steeluniversity para los elementos de aleación sustitucionales. La magnitud de este efecto depende del tamaño atómico, la compresibilidad, la valencia química y la electronegatividad. Una partícula de VC o V(C,N) actúa de forma diferente: crea un obstáculo disperso cuyo tamaño, densidad numérica, coherencia y separación determinan la eficacia con la que las dislocaciones se desplazan alrededor de ella o la atraviesan.

Los precipitados útiles deben ser finos y numerosos. Los carburos de vanadio gruesos consumen elementos de aleación sin proporcionar la misma densidad de obstáculos, y las partículas que se forman durante una etapa a temperatura excesivamente alta pueden engrosarse antes de que se desarrolle la estructura ferrítica final. El nitrógeno puede aumentar la cantidad de V(C,N), pero su efecto depende del equilibrio entre carbono y nitrógeno y de la presencia de formadores de nitruros competidores, especialmente titanio y aluminio. Por tanto, un porcentaje nominal de vanadio dice muy poco sobre el límite elástico si no se dispone de información sobre la temperatura de precipitación y el historial de enfriamiento.

El vanadio también puede afinar la estructura ferrítica efectiva cuando la precipitación y la transformación están coordinadas. Una ferrita más fina generalmente aumenta la resistencia y a menudo mejora la tenacidad gracias a un menor tamaño de las unidades de clivaje, aunque la resistencia, la ductilidad y el comportamiento al impacto siguen dependiendo de la composición completa y de la ruta de procesamiento. La explicación de AZoM sobre la metalurgia de los aceros HSLA identifica los precipitados finos de VC o V(C,N) como una fuente de aumento del límite elástico. Esta afirmación es correcta, pero solo cuando «adición de vanadio» no se confunde con «se ha producido una precipitación en la forma deseada».

Niobio y laminación controlada

El niobio desempeña una función principal diferente. En el acero HSLA laminado de forma controlada, el niobio disuelto y las partículas de carbonitruro de niobio retrasan la recristalización de la austenita entre las pasadas de laminación. AZoM identifica al niobio como un elemento que suprime la recristalización de la austenita durante la laminación en caliente. La consecuencia es importante: la deformación repetida puede acumularse en la austenita en lugar de ser eliminada por una recristalización rápida.

A medida que continúa la laminación a temperaturas en las que la recristalización está retrasada, los granos de austenita se alargan y contienen una alta densidad de defectos de deformación. Durante el enfriamiento, la ferrita nuclea en numerosos sitios asociados con esa estructura de austenita deformada. La ferrita resultante puede ser mucho más fina que la obtenida mediante una laminación convencional, lo que aumenta la resistencia mediante el afino de grano y ayuda a conservar la tenacidad. La relación de Hall–Petch describe la tendencia general: la disminución del tamaño de grano de ferrita aumenta la resistencia a la fluencia porque los límites de grano obstaculizan el movimiento de las dislocaciones.

El niobio puede estar presente en solución, como carbonitruro de niobio fino o en una combinación de ambos estados. La temperatura determina cuál de estos estados predomina. A temperaturas suficientemente altas, el carbonitruro de niobio puede disolverse, dejando el niobio disponible para retrasar la recristalización en solución o para precipitar posteriormente. A temperaturas más bajas, pueden formarse partículas que ejerzan efectos de fijación y arrastre. La reducción por pasada, el tiempo entre pasadas, la temperatura de acabado y la acumulación de deformación determinan si esos efectos producen la estructura de austenita deseada.

Esto es un control de la recristalización, no un endurecimiento por precipitación en el mismo sentido que el producido por el VC en la ferrita. Las partículas de carbonitruro de niobio pueden contribuir al endurecimiento por precipitación, especialmente después de la transformación, pero el efecto central de la laminación controlada es conservar la deformación en la austenita. Un acero que contenga niobio pero que se lamine por encima del intervalo de recristalización pertinente puede no desarrollar el mismo afino de grano que un acero con el mismo contenido de niobio laminado en condiciones controladas.

Nitruro de titanio y tamaño de grano durante el recalentamiento

El titanio actúa en una etapa térmica más temprana. El titanio tiene una fuerte afinidad por el nitrógeno y forma precipitados estables de TiN. Según AZoM, estas partículas controlan el tamaño de grano durante el recalentamiento del acero HSLA. Durante el recalentamiento de la plancha o el desbaste, las partículas de TiN finamente distribuidas fijan los límites de grano de la austenita. El movimiento de los límites se vuelve más difícil, por lo que los granos de austenita no crecen tan rápidamente como lo harían en un acero sin partículas de fijación eficaces.

La fijación de los límites de grano depende del tamaño y la distribución de las partículas. Las partículas de TiN muy finas y numerosas proporcionan una gran área interfacial total y pueden ejercer una resistencia considerable al movimiento de los límites. Las partículas gruesas de TiN son menos eficaces por unidad de volumen y pueden comportarse como inclusiones frágiles o sitios de iniciación de grietas bajo determinadas condiciones de carga. Un exceso de titanio, un exceso de nitrógeno, una solidificación lenta o un recalentamiento inadecuado pueden desplazar la población hacia partículas gruesas. La adición química por sí sola no especifica cuál será la población de partículas útil.

Por tanto, el titanio controla el tamaño de grano durante el recalentamiento, mientras que el niobio controla la recristalización durante la deformación y el vanadio suele reforzar la ferrita transformada mediante precipitación. Las etapas se solapan, pero los mecanismos deben mantenerse separados en el análisis. La fijación por TiN limita el crecimiento de grano antes del recalentamiento o durante este; el niobio retrasa la recristalización de la austenita durante la laminación; y la precipitación de VC o V(C,N) obstaculiza el movimiento de las dislocaciones después de la transformación. Denominar a los tres efectos «afino de grano» oculta la secuencia que permite el funcionamiento del procesamiento HSLA.

Las interacciones complican aún más la secuencia. El titanio puede retirar nitrógeno de la solución en forma de TiN, reduciendo el nitrógeno disponible para la formación de carbonitruro de vanadio. El niobio y el vanadio compiten con el carbono y el nitrógeno de acuerdo con relaciones de solubilidad dependientes de la temperatura. El manganeso, el silicio, el aluminio y otros elementos modifican las temperaturas de transformación y la estabilidad de las fases, mientras que la segregación durante la colada puede producir composiciones locales distintas de la composición nominal de la colada. El módulo de Steeluniversity enumera estos elementos —incluidos el silicio, el manganeso, el azufre, el fósforo, el aluminio, el cobre, el estaño, el cromo, el níquel y el molibdeno— como factores que afectan a la resistencia, la ductilidad, la tenacidad, el tamaño de grano, la templabilidad y la respuesta al tratamiento térmico.

La lección práctica es directa: el vanadio, el niobio y el titanio son herramientas de procesamiento tanto como adiciones de aleación. Su concentración establece las posibilidades; el recalentamiento, la deformación, la precipitación y el enfriamiento determinan cuáles de esas posibilidades se convierten en microestructura. Por eso las especificaciones de los aceros HSLA exigen prácticas de producción controladas y por eso una explicación aislada elemento por elemento ofrece una descripción incompleta del comportamiento del acero.

10. Elementos de aleación y transformación de fases

El acero no se define mediante una receta fija. La World Steel Association lo describe como una aleación de hierro y carbono que contiene menos del 2 % de carbono, junto con manganeso y cantidades menores de silicio, fósforo, azufre y oxígeno. Esta definición establece un límite de composición, no una predicción de la microestructura. Dos aceros incluidos dentro de ese límite pueden responder de manera muy diferente al mismo ciclo de horno, porque los elementos de aleación modifican la estabilidad de las fases, las velocidades de difusión, los sitios de nucleación, la precipitación y las temperaturas a las que comienzan las transformaciones.

La distinción es importante en los aceros al carbono simple y adquiere aún más relevancia en los grados aleados. Steeluniversity identifica el silicio, el manganeso, el azufre, el fósforo, el aluminio, el cobre, el estaño, el cromo, el níquel y el molibdeno como elementos que afectan la resistencia, la ductilidad, la tenacidad, la maquinabilidad, la templabilidad, el tamaño de grano y la respuesta al tratamiento térmico. Sus efectos están acoplados. El manganeso, el cromo, el níquel y el molibdeno pueden retrasar las transformaciones difusivas, mientras que el carbono controla la dureza de la martensita que se forma después de un enfriamiento suficientemente rápido. El vanadio, el niobio y el titanio también modifican el comportamiento de transformación mediante la precipitación de carburos, carbonitruros y nitruros.

Templabilidad frente a dureza

La dureza es la resistencia medida en una ubicación determinada después de un tratamiento específico. Depende en gran medida del contenido de carbono, de la fracción de martensita u otras fases duras formadas, de la temperatura de revenido y de las condiciones locales de enfriamiento. Por ejemplo, un acero con alto contenido de carbono templado rápidamente puede producir martensita muy dura cerca de la superficie, pero ese hecho por sí solo dice poco sobre la profundidad a la que se extiende la estructura martensítica en una sección gruesa.

TemplabilidadTemplabilidad Capacidad del acero para formar martensita a través de una sección durante el enfriamiento; difiere de la dureza máxima que puede alcanzar el acero.

La templabilidad describe la capacidad de un acero para formar martensita hasta una profundidad determinada durante el temple. Es una propiedad cinética, no una medida directa de la dureza máxima. El manganeso, el cromo, el níquel y el molibdeno generalmente aumentan la templabilidad al desplazar las transformaciones de perlita y bainita hacia tiempos más prolongados en un diagrama de transformación tiempo-temperatura. En ese caso, una velocidad de enfriamiento más lenta en el interior puede mantenerse por debajo del intervalo crítico de transformación durante el tiempo suficiente para que se forme martensita. El carbono también contribuye, aunque el aumento de su contenido eleva más directamente la dureza alcanzable de la martensita y puede reducir la tenacidad o aumentar la cantidad de austenita retenida cuando se utiliza en concentraciones más elevadas.

Un ensayo de temple final Jominy ilustra la diferencia. El extremo templado se enfría rápidamente y normalmente forma martensita; a mayor distancia, la velocidad de enfriamiento disminuye y pueden desarrollarse perlita, bainita o estructuras mixtas más blandas. El perfil de dureza registra tanto la respuesta de transformación del acero como la dureza, dependiente del carbono, de las fases producidas. Un acero con bajo contenido de carbono puede tener una templabilidad considerable, pero una dureza máxima de la martensita limitada, mientras que un acero con mayor contenido de carbono puede ser muy duro en la superficie y, sin embargo, mostrar una fuerte caída de dureza a través de una sección grande si su templabilidad es baja.

El elemento de aleación no actúa por sí solo. El cromo puede aumentar la templabilidad y, al mismo tiempo, favorecer la formación de carburos ricos en cromo y mejorar la resistencia a la oxidación y a la corrosión. El níquel estabiliza la austenita y refuerza el acero ferrítico, incluso a temperaturas bajo cero, pero su influencia sobre la transformación depende del carbono, el manganeso, el cromo y el tamaño de grano de la austenita previa. El vanadio puede aumentar la resistencia mediante precipitados finos de VC o V(C,N), al tiempo que modifica la cantidad de carbono y nitrógeno disponibles y, por tanto, afecta la reacción de austenita a ferrita. Considerar cualquiera de estos elementos como un “endurecedor” garantizado oculta el mecanismo real.

Cinética de transformación e historial térmico

Un diagrama de fases indica qué fases son estables en equilibrio; no especifica con qué rapidez una pieza de acero real alcanza ese equilibrio. La cinética de transformación cubre esa diferencia. La austenita puede transformarse en ferrita y perlita durante un enfriamiento lento, en bainita a velocidades de enfriamiento intermedias o en martensita cuando se suprime la difusión. El resultado depende de la trayectoria de temperatura, no solamente del análisis químico final.

El informe de Nippon Steel deja particularmente clara esta limitación: el comportamiento de transformación de fases puede variar considerablemente con una diferencia de tan solo un 1 % en la concentración de los elementos de aleación. Esa diferencia puede modificar la posición de las curvas de inicio de transformación, la temperatura de formación de martensita, la cantidad de austenita retenida o el intervalo en el que se forma la bainita. Un 1 % es suficiente para ser relevante en muchos sistemas de aleación, pero el aspecto más importante es otro: pequeños cambios de composición pueden tener efectos desproporcionados cuando se aproxima un límite de transformación.

Por lo tanto, la velocidad de enfriamiento debe acompañar a cualquier afirmación sobre la composición. Una sección enfriada en el horno, una placa enfriada al aire, una barra templada en aceite y un borde templado en agua experimentan gradientes térmicos diferentes y producen estructuras distintas, incluso cuando proceden de la misma colada. El espesor de la sección modifica el resultado porque el calor abandona la superficie antes que el núcleo. La agitación del medio de temple, el tiempo de transferencia y el estado superficial añaden más variación.

El recalentamiento y el laminado generan otro historial térmico antes de que comience el tratamiento térmico final. En el acero HSLA, AZoM informa de que el niobio suprime la recristalización de la austenita durante el laminado en caliente. La austenita deformada puede conservar granos aplanados, lo que aumenta los sitios de nucleación de la ferrita durante el enfriamiento posterior. El titanio forma precipitados estables de TiN que restringen el crecimiento del grano de austenita durante el recalentamiento; su eficacia depende del tamaño de las partículas, de la temperatura de disolución y de los contenidos de nitrógeno y titanio. El vanadio forma precipitados finos de VC o V(C,N) que aumentan el límite elástico, especialmente cuando la precipitación ocurre durante la transformación o después de ella. Un recalentamiento excesivo puede disolver las partículas destinadas a controlar el tamaño de grano, mientras que un enfriamiento inadecuado puede impedir la respuesta de precipitación deseada.

El revenido vuelve a cambiar la interpretación. La martensita templada es sobresaturada y está sometida a tensiones; el revenido permite la redistribución del carbono, la precipitación de carburos y la recuperación. Un acero con la misma dureza después del temple puede adquirir diferente resistencia, tenacidad y estabilidad dimensional tras un revenido a 200 °C, 500 °C o 650 °C. Los carburos de aleación que contienen cromo, molibdeno o vanadio pueden precipitar durante el revenido a temperaturas elevadas, por lo que el estado final no puede predecirse únicamente a partir de la composición química de temple.

Segregación en los límites de grano e interfaces

La composición global es un promedio. Los átomos no siempre se distribuyen uniformemente por toda la microestructura. El fósforo, el azufre, el estaño, el antimonio y otros solutos pueden segregarse en los límites de grano de la austenita durante la solidificación, el recalentamiento o la transformación. Los límites de grano presentan un empaquetamiento atómico y una energía diferentes de los del interior de los granos, lo que los convierte en sitios preferentes para la acumulación de solutos y la nucleación de nuevas fases. La segregación puede reducir la cohesión de los límites, modificar la nucleación de la ferrita o alterar la temperatura local de transformación.

Las interfaces entre ferrita, austenita, bainita, martensita y precipitados también presentan campos químicos que difieren de la composición nominal de la aleación. El carbono puede repartirse desde una fase en transformación hacia la austenita; el manganeso y el cromo pueden redistribuirse más lentamente porque son elementos sustitucionales. Un límite enriquecido en un elemento y empobrecido en otro puede acelerar o retrasar localmente la transformación. Por ello, un mismo acero puede contener regiones con diferentes secuencias de transformación, especialmente cerca de inclusiones, límites de austenita previa, zonas afectadas térmicamente por la soldadura y bandas de segregación procedentes de la colada.

Las interfaces controlan más que la formación de fases. Las partículas finas de TiN fijan los límites de la austenita; el niobio en solución o en forma de precipitados restringe la recristalización; las partículas de VC y V(C,N) dificultan el movimiento de las dislocaciones y elevan el límite elástico. Las inclusiones de sulfuros pueden proporcionar sitios de nucleación, pero también pueden reducir la tenacidad, dependiendo de su morfología y alineación. En el acero inoxidable, debe permanecer una cantidad suficiente de cromo disponible cerca de la superficie para mantener la pasivación mediante óxido de cromo, mientras que el níquel, el molibdeno, el nitrógeno, el carbono y los elementos estabilizadores afectan la estabilidad de la austenita, el endurecimiento por deformación, la sensibilización y la formación de fases secundarias.

En consecuencia, el análisis químico es solo el punto de partida. Una afirmación significativa sobre un elemento debe identificar su intervalo de concentración, su ubicación en las fases, su estado de segregación, la población de precipitados, el tamaño de grano, la velocidad de enfriamiento, el programa de recalentamiento y laminado, y la condición de revenido. Sin esas variables, afirmar que “el cromo aumenta la dureza” o que “el níquel mejora la tenacidad” no es un resultado; es una hipótesis incompleta.

11. Interpretación de la química de las aleaciones mediante los grados y las normas del acero

Una designación de acero es una información condensada, no una descripción completa del material. Puede indicar una familia química, una clase de resistencia, una clasificación de acero inoxidable, una forma de producto o una categoría de especificación. La norma aplicable proporciona las condiciones que faltan: composición permitida, requisitos de resistencia a la tracción y límite elástico, alargamiento, ensayos de impacto, estado de tratamiento térmico, reglas dimensionales, muestreo y temperatura de ensayo. Por tanto, leer únicamente el nombre puede conducir a una identificación químicamente plausible, pero técnicamente incorrecta.

La World Steel Association define el acero como una aleación de hierro y carbono que contiene menos del 2 % de carbono, en la que también están presentes manganeso y cantidades menores de silicio, fósforo, azufre y oxígeno. Steeluniversity incluye el silicio, el manganeso, el azufre, el fósforo, el aluminio, el cobre, el estaño, el cromo, el níquel y el molibdeno entre los elementos que afectan al comportamiento de los aceros al carbono simples. Sus efectos no son independientes. Un pequeño cambio en el carbono puede alterar la respuesta al cromo; el níquel puede modificar el intervalo de temperaturas en el que la austenita es estable; el molibdeno puede modificar la precipitación de carburos y la respuesta al revenido; y el procesamiento puede determinar si una misma composición nominal se convierte en ferrita, perlita, bainita, martensita o una mezcla.

Límites de composición y lógica de las designaciones

Comience con la designación completa y el documento que la regula. Plantee cuatro preguntas: ¿qué norma se aplica?, ¿qué forma de producto está cubierta?, ¿qué condición de suministro o de tratamiento térmico se especifica? y ¿qué edición de la norma tiene carácter contractual? Una designación impresa en un plano puede identificar una familia, dejando la condición requerida para una cláusula independiente de compra o de ingeniería. Las chapas, barras, piezas forjadas, alambres, tubos y productos fundidos pueden tener límites y ensayos diferentes, incluso cuando sus amplias familias de aleación parezcan similares.

La composición normalmente se expresa como un intervalo o un valor máximo, no como una receta. El carbono puede estar limitado por un valor máximo, mientras que el manganeso, el cromo, el níquel o el molibdeno pueden tener límites inferior y superior. El término «máximo» es importante. No significa que cada colada contenga esa cantidad, ni que un valor intermedio represente la especificación. Los elementos residuales, como el fósforo, el azufre, el cobre, el estaño y el nitrógeno, pueden estar restringidos porque afectan a la tenacidad, la soldabilidad, la fragilidad en caliente, el comportamiento frente a la corrosión o la estabilidad de las fases.

Una designación también puede codificar una clase de propiedades, en lugar de una composición química exacta. Una especificación de acero de alta resistencia y baja aleación, o HSLA, puede permitir varias estrategias de aleación para alcanzar el límite elástico y la tenacidad requeridos. Un productor puede basarse más en el niobio y en el laminado controlado; otra composición permitida puede obtener la resistencia mediante precipitación de vanadio o mediante un equilibrio diferente de manganeso y silicio. La designación, por sí sola, no revela la secuencia de laminado, la velocidad de enfriamiento, el tamaño de grano ni la población de precipitados.

La distinción es especialmente importante cerca de los límites de fase. Nippon Steel informa de que el comportamiento de transformación puede variar sustancialmente con una diferencia de tan solo un 1 % en la concentración de un elemento de aleación. Ese cambio puede modificar las temperaturas de inicio de la transformación, la templabilidad, la austenita retenida o la fracción de bainita y martensita. El análisis global tampoco cuenta toda la historia: la segregación en los límites de grano y en las interfases puede cambiar dónde comienzan las transformaciones y qué mecanismo predomina. Una colada que cumple los mismos límites químicos puede presentar microestructuras diferentes después de distintos historiales de recalentamiento, laminado, enfriamiento o revenido.

Los elementos sustitucionales ocupan sitios normales de la red y refuerzan el material al distorsionar la red cristalina. Steeluniversity relaciona este efecto con el tamaño atómico, la compresibilidad, la valencia química y la electronegatividad. El carbono y el nitrógeno se comportan principalmente como solutos intersticiales, produciendo una intensa deformación local e interactuando con dislocaciones, vacantes y carburos o nitruros de aleación. La designación registra la concentración; rara vez registra la distribución espacial que controla la propiedad final.

Familias de carbono, cromo, níquel y molibdeno

El acero al carbono simple se define por un concepto de aleación relativamente limitado, pero «simple» no significa químicamente vacío. El manganeso contribuye al endurecimiento por solución sólida y se combina con el azufre, mientras que el silicio influye en la desoxidación y la resistencia. El azufre puede mejorar la maquinabilidad en composiciones controladas, pero puede reducir la ductilidad transversal. El fósforo puede aumentar la resistencia, pero perjudicar la tenacidad. El cobre, el estaño, el cromo, el níquel y el molibdeno pueden aparecer como elementos residuales o como adiciones deliberadas, y su importancia depende de la concentración y del procesamiento.

El acero de baja aleación incorpora cantidades controladas de elementos para modificar la templabilidad, la resistencia, la tenacidad, la resistencia al revenido, el comportamiento frente al desgaste o la resistencia a la corrosión. El cromo aumenta la templabilidad y puede mejorar la resistencia a altas temperaturas, a la oxidación y a la corrosión, pero su efecto depende de la actividad del carbono, de la presencia de otros formadores de carburos y del ciclo térmico. El níquel refuerza y mejora la tenacidad del acero ferrítico, con una contribución especialmente importante a la tenacidad al impacto a temperaturas bajo cero. El molibdeno puede aumentar la templabilidad y la resistencia al revenido, así como modificar la precipitación de carburos; también es importante en varios sistemas de corrosión de los aceros inoxidables.

El acero inoxidable ferrítico y el acero inoxidable austenítico ilustran por qué los nombres de los elementos no deben interpretarse como resultados garantizados. El cromo proporciona la base para una película protectora de óxido de cromo, pero la resistencia a la corrosión depende de la actividad del cromo en la superficie, de la química del entorno, de la fabricación, de las inclusiones y de los daños en la película pasiva. El níquel estabiliza la austenita, mientras que el nitrógeno puede reforzar el acero inoxidable austenítico y afectar al equilibrio de fases. El carbono puede aumentar la resistencia, pero puede combinarse con el cromo durante una exposición térmica inadecuada, reduciendo el cromo cerca de los límites de grano y provocando sensibilización. Las adiciones de titanio o niobio pueden fijar el carbono y reducir ese riesgo, aunque las adiciones estabilizadoras también afectan a la respuesta durante la soldadura, a los precipitados y a las fases secundarias.

Por tanto, un mismo elemento de aleación puede tener consecuencias de ingeniería opuestas. El cromo en una aleación ferrítica puede favorecer la formación de ferrita y carburos, mientras que el níquel puede suprimir la ferrita y favorecer la austenita. El molibdeno puede mejorar la resistencia a la corrosión localizada en el acero inoxidable austenítico, pero su interacción con el cromo, el níquel, el nitrógeno y el historial térmico afecta a la formación de la fase sigma u otras fases secundarias. El nombre de una familia identifica la constitución de fases esperada; no garantiza una única microestructura después de cualquier ruta de fabricación.

Los aceros HSLA hacen explícita la dependencia respecto del procesamiento. Durante el laminado en caliente, el niobio puede suprimir la recristalización de la austenita, permitiendo que la deformación refine la estructura ferrítica final. El titanio forma precipitados estables de TiN que ayudan a controlar el tamaño de grano durante el recalentamiento. El vanadio forma precipitados finos de VC o V(C,N) que aumentan el límite elástico. Estos mecanismos requieren condiciones adecuadas de disolución, laminado, enfriamiento y precipitación. Una adición que permanezca en partículas gruesas no puede proporcionar el mismo refuerzo que una población fina y bien dispersa.

Por qué los nombres de los grados no sustituyen a los requisitos del material

El nombre de un grado debe tratarse como un índice de una especificación, no como un sustituto de esta. El documento aplicable puede exigir un límite elástico mínimo para un intervalo de espesores determinado, un intervalo de resistencia a la tracción, un alargamiento mínimo y una energía de impacto Charpy a una temperatura especificada. También puede prescribir condiciones de suministro normalizadas, templadas y revenidas, termomecánicamente controladas, recocidas o sometidas a tratamiento de solubilización. Sin esas cláusulas, «el mismo grado» puede describir un material con diferente resistencia, tenacidad, soldabilidad y tensión residual.

Las condiciones de ensayo forman parte de los requisitos del material. El límite elástico puede variar según la orientación de la probeta, el espesor, la velocidad de deformación y el método de ensayo. La energía de impacto depende considerablemente de la temperatura y de la orientación de la entalla. El análisis químico puede notificarse a partir de una muestra de cuchara o de una muestra del producto, con diferentes reglas de aceptación. Los registros de tratamiento térmico, el estado superficial, los ensayos ultrasónicos, los requisitos de tamaño de grano y los ensayos de impacto suplementarios pueden ser más importantes para el comportamiento en servicio que una breve designación impresa junto al material.

Por tanto, una interpretación sólida avanza desde la designación hasta la norma, desde la norma hasta los límites químicos y mecánicos, y desde esos límites hasta el historial de procesamiento y el servicio previsto. Compare el análisis de la colada con el intervalo permitido, verifique la forma y la condición del producto, compruebe los ensayos requeridos y, a continuación, pregúntese qué microestructura se espera que produzcan esas condiciones. Este enfoque evita confundir una etiqueta de familia con una garantía. La química establece las posibilidades; la estabilidad de las fases, la segregación, la precipitación y el historial de fabricación determinan cuál de esas posibilidades se convierte en el acero que se tiene en las manos.

12. Método práctico para predecir el efecto metalúrgico de un elemento

Un elemento de aleación no lleva consigo una propiedad fija. El cromo no es simplemente un «elemento de resistencia a la corrosión», el vanadio no es únicamente un «elemento de refuerzo» y el azufre no siempre es perjudicial. El resultado depende de dónde terminan ubicados los átomos, de las fases presentes, de cómo se haya procesado el acero y de la temperatura y el entorno a los que estará expuesto el componente.

Por tanto, una predicción útil comienza con una secuencia de preguntas, no con una lista de efectos aislados. Primero, hay que localizar el elemento. Después, identificar el mecanismo que puede activar o suprimir. Por último, comprobar esa explicación en función de la composición, el historial térmico, el historial de deformación y las condiciones de servicio.

Preguntar dónde se encuentra el elemento

La primera pregunta es física: ¿dónde se encuentra el elemento después de la solidificación y el procesamiento?

Un elemento puede permanecer en la ferrita o la austenita como soluto sustitucional, ocupar sitios intersticiales, combinarse con carbono o nitrógeno en un carburo o carbonitruro, segregarse en un límite de grano, concentrarse en una película de óxido o formar una fase secundaria diferenciada. La misma adición nominal puede producir resultados distintos a través de estas diferentes ubicaciones.

Los átomos sustitucionales reemplazan a los átomos de hierro en la red. Steeluniversity describe su efecto de refuerzo como una distorsión de la red cristalina, cuya magnitud está relacionada con el tamaño atómico, la compresibilidad, la valencia química y la electronegatividad. Por tanto, el manganeso, el silicio, el níquel y el cromo pueden reforzar la ferrita mientras permanecen ampliamente distribuidos en solución sólida. Su efecto no está determinado únicamente por el tamaño atómico: también son importantes la fase de la matriz, la concentración y las interacciones con el carbono y otros solutos.

El carbono y el nitrógeno se comportan de forma diferente porque ocupan sitios intersticiales y generan campos de deformación locales intensos. Si permanecen disueltos, pueden aumentar la resistencia y modificar el comportamiento de transformación. Si se combinan con cromo, niobio, titanio o vanadio, el efecto relevante pasa a ser la precipitación o el control de fases. La diferencia es decisiva. El vanadio en solución puede afectar a la templabilidad y a la cinética de transformación, mientras que las partículas finas de VC o V(C,N) dificultan el movimiento de las dislocaciones y aumentan el límite elástico.

La propia partícula también es importante. AZoM identifica los precipitados estables de TiN como un medio para controlar el tamaño de grano durante el recalentamiento del acero HSLA. El TiN grueso formado durante la solidificación no equivale a un precipitado fino y bien disperso. El primero puede proporcionar un refuerzo limitado y actuar como sitio de iniciación de grietas; el segundo puede fijar los límites de grano de la austenita. La ubicación, el tamaño, la densidad numérica y la estabilidad deben considerarse conjuntamente.

La presencia en los límites de grano introduce otro conjunto de posibilidades. El fósforo, el azufre, el estaño y el antimonio pueden segregarse durante el enfriamiento o el tratamiento térmico. Esta segregación puede debilitar los límites, alterar la nucleación o modificar el comportamiento a la fractura, incluso cuando la composición global parezca moderada. Un elemento que sea inocuo en una matriz uniforme puede resultar perjudicial cuando se concentra en una interfaz.

El cromo ilustra la necesidad de identificar la fase o película relevante. En el acero inoxidable, una cantidad suficiente de cromo en la región superficial favorece la formación de una película delgada de óxido rica en cromo que ralentiza la oxidación y la disolución posteriores. El níquel, el molibdeno y el nitrógeno pueden modificar el equilibrio de fases y reforzar o estabilizar la austenita, mientras que el carbono y las adiciones estabilizadoras, como el titanio o el niobio, afectan a la formación de carburos y a la sensibilización. El contenido de cromo por sí solo no predice el comportamiento frente a la corrosión si la película superficial está dañada, si la aleación se ha empobrecido cerca de los límites de grano o si una fase secundaria consume cromo.

Identificar los mecanismos en competencia

Una vez conocida la ubicación del elemento, hay que preguntar qué mecanismo controla realmente la propiedad. Los principales candidatos son la distorsión de la red, la precipitación, el afino de grano, el retraso de las transformaciones, la pasivación y el cambio en la estabilidad de la austenita. Puede operar más de uno al mismo tiempo, y pueden oponerse entre sí.

Un elemento sustitucional disuelto puede aumentar la resistencia al dificultar el movimiento de las dislocaciones. Esa misma distorsión puede reducir la ductilidad, pero el cambio no está garantizado: una pequeña adición puede aumentar la resistencia con una pérdida mínima de alargamiento si el afino de grano o un equilibrio de fases favorable compensan el efecto negativo del soluto. Por ejemplo, el silicio y el manganeso pueden reforzar la ferrita, mientras que el manganeso también modifica la estabilidad de la austenita y las temperaturas de transformación.

La precipitación produce una respuesta diferente. Las partículas finas obstaculizan las dislocaciones y fijan los límites de grano en movimiento. El niobio suprime la recristalización de la austenita durante el laminado en caliente del acero HSLA, lo que permite que se acumule la deformación y contribuye a producir una estructura de transformación afinada. El nitruro de titanio controla el tamaño de grano de la austenita durante el recalentamiento. El vanadio forma precipitados finos de VC o V(C,N) que aumentan el límite elástico. Estos mecanismos dependen de la temperatura de precipitación, el tamaño de las partículas, la disolución durante el recalentamiento y la velocidad de enfriamiento. Una adición nominal de vanadio no garantiza un refuerzo útil por precipitación si el equilibrio entre carbono y nitrógeno, el programa de laminado o el tratamiento de revenido no son adecuados.

El retraso de las transformaciones puede mejorar la templabilidad al posponer la formación de ferrita, perlita o bainita hasta temperaturas más bajas. El cromo y el molibdeno contribuyen habitualmente de esta manera, pero su efecto depende de la composición completa de la aleación y del tamaño de grano de la austenita. Un acero que se temple en profundidad en un espesor de sección puede no hacerlo en otro, porque la velocidad de enfriamiento controla qué transformaciones tienen tiempo de producirse.

La estabilidad de la austenita constituye otra vía para modificar las propiedades. El níquel estabiliza la austenita y refuerza y endurece el acero ferrítico, particularmente a temperaturas bajo cero, pero en los grados inoxidables su equilibrio con el cromo, el carbono, el nitrógeno y el manganeso ayuda a determinar si la estructura es completamente austenítica, ferrítica o dúplex. Las adiciones excesivas o mal controladas pueden favorecer fases secundarias no deseadas. La pasivación, por su parte, es un proceso superficial y no un refuerzo ordinario del volumen del material. Una película de óxido rica en cromo puede mejorar la resistencia a la corrosión y tener, al mismo tiempo, poco efecto directo sobre la resistencia a la tracción.

Los mecanismos pueden entrar en conflicto. Un carburo puede aumentar la dureza, pero retirar cromo de la matriz y perjudicar la resistencia a la corrosión localizada. El afino de grano puede mejorar la resistencia y la tenacidad, mientras que los precipitados gruesos pueden producir el efecto contrario. El azufre puede mejorar la maquinabilidad al formar inclusiones de sulfuro de manganeso, pero esas inclusiones pueden reducir la ductilidad transversal y la resistencia a la corrosión-fatiga.

Comprobar la composición, el procesamiento y la temperatura de servicio

La siguiente comprobación es cuantitativa. No hay que preguntar si un elemento está presente, sino cuánto hay, en qué proporción con los demás elementos y en qué fase se encuentra. El informe de Nippon Steel advierte que el comportamiento de transformación de fases del acero puede variar sustancialmente con una diferencia de tan solo un 1 % en la concentración de un elemento de aleación. Esa diferencia puede modificar las temperaturas críticas, las fracciones de fase, la segregación, la estabilidad de los precipitados o el tiempo disponible para la transformación.

El procesamiento puede dominar sobre la química nominal. La solidificación controla la segregación y la formación de inclusiones. El laminado en caliente controla la recristalización y la textura. El recalentamiento puede disolver el TiN, el NbC o el VC, o dejarlos intactos. La velocidad de enfriamiento determina si la austenita se transforma en ferrita, perlita, bainita o martensita. El temple y el revenido redistribuyen el carbono y alivian las tensiones, mientras que la soldadura crea ciclos térmicos locales que pueden producir granos gruesos, zonas duras o regiones sensibilizadas.

La temperatura de servicio debe comprobarse por separado. Un precipitado estable durante la fabricación puede engrosarse durante una exposición prolongada a temperaturas elevadas. Una austenita estable a temperatura ambiente puede transformarse bajo deformación o durante un enfriamiento a temperaturas bajo cero. La contribución del níquel a la tenacidad a baja temperatura no puede inferirse a partir de su resistencia a la tracción a temperatura ambiente. La resistencia a la corrosión también depende del entorno: la exposición a cloruros, la acidez, el potencial, las hendiduras y la temperatura pueden determinar si la pasivación se mantiene.

Por tanto, el marco diagnóstico final es el siguiente: localizar el elemento en solución sólida, en un carburo o carbonitruro, en un límite de grano, en una película de óxido o en una fase secundaria; identificar si el mecanismo activo es la distorsión de la red, la precipitación, el afino de grano, el retraso de las transformaciones, la pasivación o un cambio en la estabilidad de la austenita; y comprobar después la concentración, el procesamiento térmico, el procesamiento mecánico y la temperatura de servicio. Solo después de realizar estas comprobaciones deben predecirse la resistencia, la ductilidad, la tenacidad, la resistencia a la corrosión, la maquinabilidad, la templabilidad o la respuesta al tratamiento térmico.