1. Introducción
El acero sustenta la infraestructura moderna, Desde imponentes rascacielos hasta herramientas quirúrgicas de precisión.
Como el material más reciclado del mundo, Ofrece una combinación inigualable de fuerza, Formabilidad, y rentabilidad.
En este artículo, Comparamos dos familias de acero fundamental, acero de carbono y acero de aleación), propiedades, tratamiento, ciencias económicas, y aplicaciones.
Al final, En captar cuándo elegir cada tipo para el rendimiento y el valor máximo.
2. ¿Qué es el acero al carbono??
Acero carbono se destaca como una de las familias de acero más simples y ampliamente utilizadas.
Por definición, consiste principalmente en hierro (Ceñudo) aleado con carbono (do), típicamente que va desde 0.05 % a 1.00 % con peso.
A medida que aumenta el contenido de carbono, El aumento de la fuerza y la dureza de la aleación, pero la ductilidad y la soldadura disminuyen.
Además, Adiciones controladas de manganeso (hasta ~ 1.65 %), silicio (0.15 %–0.30 %), fósforo (< 0.04 %), y azufre (< 0.05 %) ayudar a refinar la estructura de grano, Mejorar la enduribilidad, y mejorar la maquinabilidad.
Tipos de acero al carbono
Los ingenieros clasifican a los aceros de carbono en cuatro categorías principales basadas en el porcentaje de carbono. Cada categoría sirve un papel distinto, Desde formas de alambre flexibles hasta cuchillas resistentes al desgaste:
| Categoría | C Contenido | Rasgos clave | Usos comunes |
|---|---|---|---|
| De baja carbono (Leve) | 0.05 %–0.30 % | Excelente ductilidad; fácil de soldar y formar | Paneles automotrices, formas estructurales, esgrima |
| Carbono medio | 0.30 %–0.60 % | Fuerza y dureza equilibradas; práctico | Engranaje, ejes, ejes, componentes de maquinaria |
| De carbono | 0.60 %–1.00 % | Alta dureza después del enfriamiento; menor ductilidad | Herramientas de corte, ballestas, cables de alta resistencia |
| Muy alto carbono | 1.00 %–2.00 % | Resistencia al desgaste excepcional; frágil en la naturaleza | Cuchillos especializados, cuchillas de corte, partes de fundición |
3. ¿Qué es acero de aleación??
Acero aleado eleva el acero al carbono liso agregando deliberadamente uno o más elementos de aleación,
como el cromo, níquel, molibdeno, vanadio, tungsteno, o boro, Para lograr propiedades que el contenido de carbono por sí solo no puede entregar.
Estas adiciones estratégicas refinan la microestructura del acero, Mejorar el rendimiento mecánico, y mejorar la resistencia al calor, tener puesto, y corrosión.
Composición química y microestructura
Cada elemento de aleación contribuye con beneficios distintos:
- Cromo (0.5–2 %) promueve la formación de carburos de cromo duro y un delgado, capa de óxido adherente, Aumento de la resistencia al desgaste y la protección contra la corrosión.
- Níquel (1–5 %) estabiliza la fase de austenita a temperatura ambiente, aumentando dramáticamente la dureza, particularmente en entornos de baja temperatura.
- Molibdeno (0.2–0.6 %) Mejora la resistencia a la fluencia y mantiene la dureza a temperaturas elevadas al restringir el crecimiento del grano.
- Vanadio (0.1–0.3 %) Refina el tamaño del grano anterior-austenita, entrega de mayor resistencia de rendimiento y vida superior de fatiga.
- Tungsteno (arriba a 2 %) y Boro (0.0005–0.003 %) mejorar aún más la dureza de alta temperatura y la enduribilidad de la sección profunda, respectivamente.
Tipos de acero de aleación
Mientras que las combinaciones pueden variar ampliamente, Los cinco grupos de acero de aleación más comunes incluyen:
| Familia de aleación | Elementos clave | Beneficios principales | Ejemplo de usos |
|---|---|---|---|
| Aceros de baja aleación | CR, En, Mes (total ≤ 5 %) | Fuerza equilibrada, dureza moderada, Enduribilidad mejorada | Chasis automotriz, vigas estructurales |
| Aceros de alta aleación | CR, En, Mes, V, W (total > 5 %) | Resistencia excepcional y resistencia a la corrosión/calor | Hojas de turbina, Partes del reactor nuclear |
| Aceros para herramientas | CR, Mes, W, V, do (C hasta ~ 2 %) | Muy alta dureza, resistencia al desgaste, estabilidad dimensional | Herramientas de corte, golpes, matrices |
| Aceros inoxidables | ≥ 10.5 % CR, Además de NI, Mes, norte | Excelente resistencia a la corrosión, Formabilidad | Instrumentos médicos, equipo de procesamiento de alimentos |
| Maraging Steels | En (15–25 %), Co, Mes, De, Alabama (bajo C) | Ultra-High Fuerza con excelente dureza | Componentes estructurales aeroespaciales, estampación |
4. Decodificación del sistema de designación de acero AISI de cuatro dígitos
Antes de distinguir entre aceros de carbono y aleación, Es esencial comprender su convención de nombres.
En el AISI de cuatro dígitos (Instituto Americano de Hierro y Acero) sistema, Los primeros dos dígitos identifican a la familia de acero, mientras que los dos dígitos finales especifican el contenido nominal de carbono (en centésimas de un porcentaje, arriba a 1.00 %).
Por ejemplo, El prefijo "10" designa aceros de carbono simples, con 1018 que contiene 0.18 % carbono y 1045 que contiene 0.45 %.
Asimismo, 4140—Apite su prefijo "41" - también denota 0.40 % carbón, pero como parte de la familia de aleación de cromo-molibdeno.
Todas las calificaciones de la serie "10" incluyen pequeñas cantidades de manganeso, fósforo, y silicio para refinar la estructura de grano y mejorar la fuerza.
Ocasionalmente, Aparecen letras de sufijo: L Indica el plomo agregado para la maquinabilidad superior, y B señala una adición de boro que mejora la enduribilidad en secciones más profundas.
Decodificando estos prefijos, dígitos, y cartas, Puede predecir la química básica de un acero y, por lo tanto, inferir su dureza, resistencia a la tracción, e idoneidad para el tratamiento térmico.
A continuación se muestra la tabla completa de numeración de cuatro dígitos AISI/SAE, mostrando ambas sub-series de carbono (10xx - 15xx) y la serie principal de acero de aleación (2xxx - 9xxx).
Los últimos dos dígitos siempre dan el contenido de C nominal en centésimas de un porcentaje (p.ej. "18" → 0.18 %do).
| Serie | Elemento de aleación primaria(s) | Rango de carbono (%do) | Características clave / Notas |
|---|---|---|---|
| 10xx | Carbono simple (do + Minnesota, PAG, Y) | 0.06 - 0.60 | Arraigado & aceros de carbono en alto rango (p.ej. 1018, 1045) |
| 11xx | Carbono resulfurizado (agrega s) | 0.06 - 0.60 | Mejor maquinabilidad (p.ej. 1117, 1144) |
| 12xx | Resulfurizado + carbono rephosforizado (S+P) | 0.06 - 0.60 | Endurecimiento del petróleo, buena maquinabilidad (p.ej. 1215) |
| 15xx | Carbono de alto manganis (agrega ~ 1.00 % Minnesota) | 0.20 - 0.50 | Fuerza mejorada & maquinabilidad (p.ej. 1541) |
| 15Bxx | Alto MN + boro (B ~ 0.0005–0.003 %) | 0.20 - 0.50 | Enduribilidad mejorada |
2xxx |
Aceros de níquel (A 1-5 %) | 0.06 - 0.60 | Difícil, rendimiento de baja temperatura (p.ej. 2024) |
| 3xxx | Aceros de níquel-cromo (En + CR) | 0.06 - 0.60 | Resistente al calor & de alta fuerza (p.ej. 3090) |
| 4xxx | Aceros de molibdeno (MO 0.2–0.5 %) | 0.06 - 0.60 | Resistencia de alta temperatura, resistencia a la corrosión (p.ej. 4042) |
| 41xx | Aceros de cromo-molibdeno (CR + Mes) | 0.06 - 0.60 | Buena enduribilidad & resistencia al desgaste (p.ej. 4140, 4130) |
| 43xx | Aceros de cromo (Cr 0.5–1.5 %) | 0.06 - 0.60 | Alta fuerza, Alguna resistencia a la corrosión (p.ej. 4310) |
5xxx |
Aceros de cromo (más alto CR que 4xxx) | 0.06 - 0.60 | Aceros para la herramienta de endurecimiento del aire (p.ej. 5140) |
| 6xxx | Aceros para el cromo (CR + V) | 0.06 - 0.60 | Primavera & piezas de alto estrés (p.ej. 6150) |
| 7xxx | Aceros de tungsteno (W 1–5 %) | 0.06 - 0.60 | De alta velocidad & aceros para herramientas de trabajo en caliente (p.ej. 7Serie XXX HSS) |
| 8xxx | Níquel-cromo-molibdeno (AT + CR + I) | 0.06 - 0.60 | Ultra alta fuerza & tenacidad (p.ej. 815M40) |
| 9xxx | Aceros de silicio-manganeso (Y + Minnesota) | 0.06 - 0.60 | Aceros de primavera, Vida de alta fatiga (p.ej. 9260) |
Cartas de sufijo
- L: plomo agregado para mejorar la maquinabilidad (p.ej. 1215L)
- B: Boron agregado para la enduribilidad (p.ej. 8640B)
- H: Requisitos especiales de enduricabilidad (p.ej. 4140H)
5. Propiedades mecánicas del acero de aleación vs. Acero carbono
El rendimiento mecánico impulsa la selección de material, y aleación vs acero al carbono divergen significativamente en métricas clave.
Resistencia a la tracción, Fuerza de rendimiento, y ductilidad
- Acero carbono: Grados bajos en carbono (p.ej. Aisi 1018) exhibir resistencias a la tracción alrededor de 400–550 MPa y resistencias de rendimiento cerca de 250–350 MPa, con alargamiento al descanso de 20-30 %.
Aceros a mediano carbono (p.ej. 1045) Empuje la resistencia a la tracción a 600–800 MPa y tenga rendimiento a 350–550 MPa, Sin embargo, la ductilidad cae a ~ 15 %. - Acero aleado: En contraste, a 4340 acero aleado, apagado y templado, logra las resistencias a la tracción de 1 100–1 400 MPA y fortalezas de rendimiento de 950-1 150 MPA, mientras mantiene 12-18 % alargamiento.
Como consecuencia, Los aceros de aleación entregan hasta el doble de la fuerza de los aceros de carbono sin sacrificar la ductilidad excesiva.
Además, Las adiciones estratégicas, como el níquel o el vanadio, se adaptan más al comportamiento de rendimiento.
Por ejemplo, a 2 % NI Grado de baja aleación aumenta el rendimiento probado en el impacto en ~ 10 % en comparación con acero CR-mo similar.
Dureza y resistencia al desgaste
- Acero carbono: Se pueden alcanzar aceros altos de carbono de carbón térmico 60 HRC (Dureza de Rockwell C), ofreciendo una buena resistencia al desgaste para cuchillas y resortes.
Sin embargo, A medida que el carbono excede 0.8 %, La formabilidad sufre y el riesgo de agrietamiento durante el aumento de la extensión. - Acero aleado: Aceros para herramientas (p.ej. D2 con ~ 12 % CR, 1.5 % do) alcanzar 62–64 hrc con excelente retención de bordes.
Mientras tanto, calificaciones de trabajo caliente de tungsteno (H13) entregar 48–52 hrc junto con dardolidad roja hasta 600 ° C.
Además, aceros de aleación a menudo incrustan carburos duros (CR, V, o w) que resisten la abrasión mucho mejor que la cementita en el acero al carbono.
Como consecuencia, Verá que las aleaciones reforzadas con carburo duran 2–3 × más en moldes de ropa alta y mueren.
Resistencia a la dureza y el impacto
- Acero carbono: Aceros bajos en carbono absorben fácilmente el impacto, produciendo valores de muesca en V charpy de 80-120 J a temperatura ambiente.
Todavía, A medida que el carbono sube por encima 0.6 %, Hardness Lunes a continuación 20 J, Hacer que la fractura quebradiza sea más probable. - Acero aleado: Aleaciones con níquel (p.ej. 8640 con 2 % En) Mantener los valores de Charpy arriba 50 J incluso a –40 ° C.
Además, Los aceros de vanadio microalloyed ofrecen alta resistencia a la fractura (K_IC > 80 MPA · √m) refinando el tamaño del grano.
Rendimiento de fatiga y resistencia a la fluencia
- Fatiga: Los aceros de aleación generalmente exhiben límites de fatiga alrededor de 50-60 % de máxima resistencia a la tracción, comparado con ~ 40 % para aceros al carbono.
Por ejemplo, un apagado y templado 4140 La aleación tiene un límite de resistencia cerca 650 MPA, mientras 1045 aficionarse a 320 MPA. - Arrastrarse: A temperaturas elevadas (> 300 ° C), Los aceros de carbono se arrastran rápidamente, Limitar el uso en piezas expuestas al calor.
En cambio, Las aleaciones CR-Mo y Ni-Cr-mo mantienen el estrés de 200–300 MPa durante miles de horas y 550 ° C, Gracias a las redes estables de carburo que impiden el deslizamiento de un límite de granos.
Tabla de comparación
| Propiedad | Acero carbono | Acero aleado |
|---|---|---|
| Resistencia a la tracción | 400 - 550 MPA (bajo); 600 - 800 MPA (Med-C) | 1 100 - 1 400 MPA (p.ej. 4340 QT) |
| Fuerza de rendimiento | 250 - 350 MPA (bajo); 350 - 550 MPA (Med-C) | 950 - 1 150 MPA (p.ej. 4340 QT) |
| Ductilidad (Alargamiento en el descanso) | 20 - 30 % (bajo); ~ 15 % (Med-C) | 12 - 18 % (4340 QT); varía con elementos de aleación |
| Dureza (HRC después del tratamiento térmico) | Hasta ~ 60 hrc (High-C); Riesgo de grietas de enfriamiento por encima de ~ 0.8 % do | 48 - 52 HRC (H13); 62 - 64 HRC (D2); mantenido a temperaturas elevadas |
Impacto charpy (20 ° C) |
80 - 120 J (bajo); < 20 J (High-C) | ≥ 50 J a –40 ° C (Grados de Ni); K_IC > 80 MPA · √m (V-Microalloyed Aceros) |
| Límite de fatiga | ~ 40 % de UTS (p.ej. ~ 320 MPa para 1045) | ~ 50 - 60 % de UTS (p.ej. ~ 650 MPa para apagados 4140) |
| Resistencia a la fluencia (en > 300 ° C) | Pobre; Uso de límites de deformación rápida | Bien; Las aleaciones CR-Mo y Ni-Cr-mo mantienen 200 - 300 Estrés de MPA durante miles de horas a ~ 550 ° C |
| Resistencia al desgaste | Depender de la cementita; moderado | Excelente debido a la dura CR, V, o w carburos; duración 2 - 3 × más largo en moldes y muere |
Qt = enfriado y templado
6. Corrosión y resistencia ambiental
- Acero carbono oxida fácilmente, con tasas de corrosión típicas de 0.1–0.5 mm/año en condiciones ambientales.
- Acero aleado con ≥ 12 % CR forma una película pasivadora, reducir las tasas de corrosión a < 0.01 mm/año en muchos entornos.
Además, Adiciones de níquel y molibdeno La picadura de combate en medios ricos en cloruro. Aunque recubrimientos (galvanizante, epoxy) Ayuda de acero al carbono, agregan costos de mantenimiento recurrentes.
En contraste, Los aceros de aleación de acero inoxidable y meteorización ofrecen protección a largo plazo a largo plazo a través de la metalurgia sola.
7. Tratamiento térmico y fabricación de acero de aleación vs. Acero carbono
- Acero carbono tratamientos térmicos: reclamo, normalización, aplacar & temperamento - dureza y dureza del control. Por ejemplo, 1045 El acero apagado en el aceite logra ~ 55 hrc.
- Acero aleado a menudo sufre tratamiento de solución (P.EJ., 17-4Ph satidra inoxidable) o endurecimiento por edad (P.EJ., Superalloys con sede en NI) desbloquear las propiedades máximas.
Además, La soldadura y la disminución de la formabilidad a medida que aumenta el contenido de aleación.
Por ejemplo, carbono 1018 soldaduras fácilmente con electrodos comunes, Mientras que el acero inoxidable austenítico exige relleno especializado y precalentamiento.
Como consecuencia, Los fabricantes planifican controles más estrictos y tratamientos post-soldados para calificaciones de alta aleación.
8. Costo y consideraciones económicas
| Factor de costo | Acero carbono | Acero aleado |
|---|---|---|
| Materia prima | $500 - $700 por tono | $1,000 - $3,000 por tono (Dependiendo de las aleaciones) |
| Energía & Tratamiento | Moderado (Delfusión más simple & refinar) | Alto (tratamientos al vacío, composiciones precisas) |
| Tratamiento térmico | $50 - $200 por tono | $200 - $800 por tono (ciclos complejos) |
| Mantenimiento & Ciclo vital | Reparación periódica o reparación de corrosión | Mínimo para aceros inoxidables y de meteorización |
| Costo total de propiedad (TCO) | Menos por adelantado; mantenimiento superior | Mayor inversión; Costo de ciclo de vida más bajo |
9. Aplicaciones de aleación vs acero al carbono
Aplicaciones de acero al carbono
- Construcción: Vigas estructurales, reforzando bares
- Automotor: Marcos, paneles de cuerpo
- Tuberías & Buques a presión: Aceite, agua, transporte de gas
- Ingeniería general: Piezas de maquinaria, equipo agrícola
Aplicaciones de acero de aleación
- Aeroespacial: Tren de aterrizaje, discos de turbina
- Aceite & Gas: Collar de perforación, válvulas submarinas
- Generación de energía: Tubos de caldera, Componentes del reactor nuclear
- Entornos de alta temperatura: Piezas de horno, intercambiadores de calor
10. ¿Cuáles son las diferencias entre el acero de aleación vs acero al carbono??
| Dimensión | Acero carbono | Acero aleado |
|---|---|---|
| Composición química | Ceñudo + 0.05–1.0 % do; Tras de MN, Y, PAG, S | Ceñudo + do + ≥ 0.5 % elementos estratégicos (CR, En, Mes, V, W, B, etc.) |
| Contenido de carbono | 0.05–2.0 % | Típicamente 0.1–1.0 %, pero varía con la calificación |
| Elementos de aleación primarios | Ninguno (Más allá de las trazas) | CR, En, Mes, V, W, B - Cada uno a medida para la dureza, tenacidad, corrosión o alta TRIVA T |
| Resistencia a la tracción | 400–800 MPA (bajo- a alto-c) | 900–1 400 MPA (bajo- a alta aleación apagada & templado) |
| Fuerza de rendimiento | 250–550 MPA | 800–1 200 MPA |
| Alargamiento (Ductilidad) | 20–30 % (bajo); ~ 10–15 % (High-C) | 10–20 %, Dependiendo de la mezcla de aleación |
| Dureza (HRC) | ≤ 60 HRC (calificaciones de alto C) | 48–64 hrc (herramienta acero hasta 65 HRC; Grados de trabajo caliente ~ 50 HRC) |
Resistencia al desgaste |
Moderado (basado en cemento) | Alto (carburos duros de CR, V, W); 2–3 × vida más larga en abrasión |
| Tasa de corrosión | 0.1–0.5 mm/año sin recubrimiento | < 0.01 mm/año para acero inoxidable/meteorización; 0.02–0.1 mm/año para baja aleación |
| Conductividad térmica | 45–60 w/m · k | 20–50 w/m · k (Aleaciones CR/NI más bajas; MO/W ALMENAS Mayor) |
| Expansión térmica | 11–13 × 10⁻⁶/k | 10–17 × 10⁻⁶/k (inoxidable ≈ 17; CR-mo ≈ 11; Niños ≈ed 13) |
| Resistividad eléctrica | 10–15 µΩ · cm | 20–100 µΩ · cm (Increíble ~ 70; se eleva con contenido de aleación) |
| Permeabilidad magnética | Alto (≈ 200–1 000) | Variable: bajo en austenítico (~ 1–2), alto en grados ferríticos/martensíticos |
| Tratamiento térmico | Simple: recocer, normalizar, aplacar & temperamento | Complejo: solucion, endurecimiento por edad, Tasas de enfriamiento precisas, Tratamientos térmicos especiales post-soldados |
Fabricación |
Excelente formabilidad, soldadura, maquinabilidad | Más desafiante a medida que aumenta el contenido de aleación: requiere controles más estrictos y consumibles especializados |
| Densidad | ≈ 7.85 g/cm³ | 7.7–8.1 g/cm³ (varía ligeramente con elementos de aleación) |
| Temperatura máxima de servicio. | ≤ 300 ° C (por encima del cual se acelera la fluencia/escala) | 400–600 ° C (CR-mo); 700–1 000 ° C (Superalloys con sede en NI) |
| Costo (USD/tonelada) | $500- $ 700 | $1 000- $ 3 000 (Dependiendo de la complejidad de aleación) |
| Aplicaciones típicas | Vigas estructurales, marcos automotrices, tuberías, Partes de ingeniería general | Componentes aeroespaciales, aceite & válvulas de gas, Turbinas de planta de alimentación, herramientas de alto rendimiento, médico |
11. Conclusión
En resumen, Aleación de acero vs. El acero al carbono ocupa nichos vitales.
El acero al carbono ofrece asequibilidad, Facilidad de fabricación, y un rendimiento adecuado para usos estructurales y mecánicos cotidianos.
En cambio, El acero de aleación, con sus propiedades mejoradas de resistencia mecánica y corrosión, responde las demandas del aeroespacial, energía, y otras industrias de alto riesgo.
Evaluando la composición química, requisitos mecánicos, capacidades de fabricación, y factores económicos, Los ingenieros pueden seleccionar la calificación óptima de acero que equilibra el costo, durabilidad, y rendimiento.
