Mejor respuesta
El viejo ingeniero metalúrgico y siderúrgico dice:
El acero no es un compuesto , que tiene proporciones definidas de los elementos que lo componen. El acero es una aleación y, como tal, puede contener diversas cantidades de elementos de aleación. No existe una fórmula «molecular» para el acero, porque no existen las moléculas de acero.
Por ejemplo, AISI 6150H es un acero de aleación con la siguiente composición química (en\% en peso del elemento de aleación):
0,75 – 1,20 Cr
0,60 – 1,00 Mn
0,47 – 0,54 C
0,15 – 0,30 Si
≥0,15 V
≤0,040 S
≤0,035 P
Puede ver que los elementos de aleación tienen un rango de valores; no hay proporción fija.
Información adicional sobre el acero AISI 6150H:
Módulo de elasticidad: 200GPa
Resistencia a la tracción: 924MPa (134.000 psi)
Límite elástico: 800MPa (116.000 psi)
Dureza: Brinell 269 (Rockwell C 27)
Alargamiento a la rotura 19,5\%
Respuesta
Veo que muchas de estas respuestas se estancan en la palabra fórmula, en lugar de intentar interpretar la intención de su pregunta. Como profano, considero que la «composición química» y la «fórmula química» son lo suficientemente idénticas como para interpretar la «fórmula estructural» como «composición estructural», así que haré todo lo posible para explicar la complicada composición estructural del acero.
Estructuralmente, es una dispersión idealmente homogénea de estructuras cristalinas cúbicas de átomos de hierro con átomos de carbono disueltos en y entre estos cubos. La estructura cúbica de los cristales de hierro puede ser cúbica centrada en el cuerpo, BCC, con un átomo de hierro en el centro de un cubo de átomos de hierro en cada uno de sus seis vértices, o cúbica centrada en la cara, con un átomo de hierro ubicado en el centro de cada uno de ellos. las seis caras del cubo. Cuando el acero se calienta a una temperatura suficiente, llamada punto eutéctico, la configuración BCC de los átomos de hierro llamada ferrita pasa a la forma FCC llamada austenita, una solución sólida que permite que los átomos de carbono se disuelvan en su estructura cristalina. Dependiendo de la composición química del acero, puede permanecer como austenita a temperatura ambiente. Este es el caso de algunos aceros inoxidables y pueden identificarse como tales con un imán. El acero austenítico no es magnético. El acero tiene una propiedad única en la que, cuando se calienta hasta su punto eutéctico y se enfría o apaga rápidamente, la austenita de FCC con átomos de carbono disueltos en ella se convierte rápidamente en una forma de BCC muy tensa, distinta de la ferrita, congelando los átomos de carbono en su lugar. . Este material se llama martensita. Los aceros martensíticos son magnéticos. Dependiendo de la composición química del acero y la velocidad de enfriamiento, permanecerán cantidades variables de austenita en el acero. La austenita retenida generalmente se mantiene baja en aceros martensíticos. La dispersión de átomos de carbono bloqueados en su lugar en los aceros martensíticos evita la dislocación de los átomos de hierro de su posición en sus estructuras cristalinas. Esto es lo que le da al acero martensítico su alta dureza. Por eso el acero es tan genial. Al manipular la temperatura, el tiempo y la composición química, podemos controlar lo que sucede cuando, por ejemplo, se dobla una barra de acero. Podemos hacer que permanezca doblado permanentemente, o que se doble un poco y luego se rompa, o que salte a su forma original. Además de eso, podemos cambiar la dureza del acero.
También se encuentran en el acero inclusiones de carburos de hierro, Fe3C, materiales cerámicos duros y quebradizos dispersos entre la aleación de hierro y carbono. La presencia de estos carburos puede mejorar el límite superior de cuánto se puede endurecer un acero, pero también puede hacer que el acero sea más frágil. El acero también contiene algunos niveles variables de impurezas o se pueden agregar elementos de aleación para aumentar o disminuir ciertos atributos del acero. Cromo, tungsteno, vanadio, molibdeno, niobio, níquel, titanio, boro y manganeso son elementos añadidos intencionalmente para mejorar la dureza del acero, la resistencia a los golpes, la resistencia a la deformación, la resistencia al impacto y la resistencia al rayado, y la trabajabilidad a distintas temperaturas. El cromo que se precipita sobre la superficie del acero forma óxido de cromo al entrar en contacto con el oxígeno, lo que mejora la resistencia del acero a la corrosión. Muchos de estos elementos también forman carburos y nitruros, entre los materiales más duros conocidos. El carburo de tungsteno y el nitruro de boro serían dos buenos ejemplos de materiales extremadamente duros que se pueden encontrar en algunos aceros.
Otros elementos que se encuentran en el acero que se desean con menos frecuencia son silicio, azufre, oxígeno, fósforo, nitrógeno, hidrógeno y cobre. El silicio disminuye algunas de las propiedades mecánicas del acero, pero también mejora sus propiedades magnéticas, reduciendo la histéresis y las pérdidas del núcleo al tiempo que mejora la permeabilidad magnética. Es esta propiedad la que hace que el acero con alto contenido de silicio sea muy útil como material central en electroimanes, motores eléctricos y transformadores e inductores de baja frecuencia.El azufre mejora las propiedades de maquinabilidad del acero antes de templarlo. El fósforo y el nitrógeno pueden ayudar a mejorar la resistencia del acero a la corrosión. El cobre aumenta la ductilidad, lo que suele ser malo, pero hace que el acero sea más fácil de trabajar en caliente. El oxígeno expulsa las impurezas durante el proceso de fabricación de acero, pero como impureza, hace que el acero sea más susceptible a la corrosión y reduce la templabilidad. El hidrógeno es simplemente malo. Hace que el acero sea muy frágil al promover dislocaciones en la red cristalina de hierro. Esto hace que el acero sea una mala elección cuando el hidrógeno y las altas temperaturas coexisten.
La dispersión homogénea de los elementos de aleación en el hierro es muy buscada y confiere a los aceros modernos propiedades materiales increíbles en comparación con lo que era posible con los primeros producción de acero. Las temperaturas suficientemente altas que pueden derretir todos los elementos utilizados en el proceso de fabricación de acero facilitan su mezcla. Una técnica para potenciar esta dispersión homogénea de elementos que se utiliza para aceros de alto rendimiento es la pulvimetalurgia. El acero se funde, se rocía como gotitas finas que se enfrían y forman un polvo que luego se moldea y se forma en formas básicas. Los aceros de soldadura por patrón de diferentes propiedades juntos a temperaturas muy altas son útiles, por ejemplo, en la fabricación de herramientas de corte donde el borde de corte tiene una alta dureza y está revestido con un acero que tiene una dureza menor pero una mejor resistencia a la tensión, la deformación y la corrosión. Los procesos químicos también se pueden utilizar para mejorar la dureza de la superficie y la resistencia a la corrosión de los aceros. Calentar el acero a temperaturas que permitan que otros elementos, como carbono, boro y nitrógeno adicionales, como una atmósfera baja en oxígeno y alta en gases que contienen estos elementos, se utilizan para dar a herramientas como limas, machos de roscar, matrices y brochas su capacidad para cortar aceros. , o para dar a las piezas de la pistola una mayor resistencia a la corrosión, abrasión, rayado y deformación por abrasión.
Por último, existe una forma cristalina amorfa de aleación de hierro y carbono. Técnicamente, esto lo convierte en un vaso y tiene algunas propiedades increíblemente extrañas que están más allá del alcance de esta respuesta. Bola 8 mágica dice que vuelva a preguntar más tarde.