Aleación
Definición
Una aleación es una combinación de metales o de un metal y otro elemento. Las aleaciones se definen por un carácter de enlace metálico. Una aleación puede ser una solución sólida de elementos metálicos (una sola fase) o una mezcla de fases metálicas (dos o más soluciones). Los compuestos intermetálicos son aleaciones con una estequiometría definida y estructura cristalina. Las fases de Zintl también se consideran aleaciones en función de los tipos de enlaces (véase también el triángulo de von Arkel-Ketelaar para obtener información sobre la clasificación de los enlaces en compuestos binarios).
Las aleaciones se utilizan en una amplia variedad de aplicaciones. En algunos casos, una combinación de metales puede reducir el costo total del material y preservar propiedades importantes. En otros casos, la combinación de metales imparte propiedades sinérgicas a los elementos metálicos constituyentes tales como la resistencia a la corrosión o la resistencia mecánica. Ejemplos de aleaciones son acero, soldadura, latón, peltre, duraluminio, bronce y amalgamas.
Los componentes de aleación se miden generalmente por porcentaje de masa para aplicaciones prácticas, y en fracción atómica para estudios de ciencias básicas. Las aleaciones generalmente se clasifican como aleaciones sustitucionales o intersticiales, dependiendo de la disposición atómica que forma la aleación. Se pueden clasificar además como homogéneos (que consisten en una sola fase) o heterogéneos (que constan de dos o más fases) o intermetálicos.
Introducción
Una aleación es una mezcla de elementos químicos, que forma una sustancia impura (mezcla) que conserva las características de un metal. Una aleación es distinta de un metal impuro porque, con una aleación, los elementos añadidos están bien controlados para producir propiedades deseables, mientras que los metales impuros, como el hierro forjado, están menos controlados, pero a menudo se consideran útiles. Las aleaciones se hacen mezclando dos o más elementos, al menos uno de los cuales es un metal. Esto generalmente se llama el metal primario o el metal base, y el nombre de este metal también puede ser el nombre de la aleación. Los otros constituyentes pueden o no ser metales pero, cuando se mezclan con la base fundida, serán solubles y se disolverán en la mezcla. Las propiedades mecánicas de las aleaciones a menudo serán bastante diferentes de las de sus componentes individuales. Un metal que normalmente es muy suave (maleable), como el aluminio, puede alterarse al alearlo con otro metal blando, como el cobre. Aunque ambos metales son muy blandos y dúctiles, la aleación de aluminio resultante tendrá una resistencia mucho mayor. Agregar una pequeña cantidad de carbono no metálico al hierro intercambia su gran ductilidad por la mayor resistencia de una aleación llamada acero. Debido a su muy alta resistencia, pero aún dureza sustancial, y su capacidad de ser muy alterado por el tratamiento térmico, el acero es una de las aleaciones más útiles y comunes en el uso moderno. Al agregar cromo al acero, se puede mejorar su resistencia a la corrosión, creando acero inoxidable, mientras que la adición de silicio alterará sus características eléctricas, produciendo acero al silicio. Aunque ambos metales son muy blandos y dúctiles, la aleación de aluminio resultante tendrá una resistencia mucho mayor. Agregar una pequeña cantidad de carbono no metálico al hierro intercambia su gran ductilidad por la mayor resistencia de una aleación llamada acero. Debido a su muy alta resistencia, pero aún dureza sustancial, y su capacidad de ser muy alterado por el tratamiento térmico, el acero es una de las aleaciones más útiles y comunes en el uso moderno. Al agregar cromo al acero, se puede mejorar su resistencia a la corrosión, creando acero inoxidable, mientras que la adición de silicio alterará sus características eléctricas, produciendo acero al silicio. Aunque ambos metales son muy blandos y dúctiles, la aleación de aluminio resultante tendrá una resistencia mucho mayor. Agregar una pequeña cantidad de carbono no metálico al hierro intercambia su gran ductilidad por la mayor resistencia de una aleación llamada acero. Debido a su muy alta resistencia, pero aún dureza sustancial, y su capacidad de ser muy alterado por el tratamiento térmico, el acero es una de las aleaciones más útiles y comunes en el uso moderno. Al agregar cromo al acero, se puede mejorar su resistencia a la corrosión, creando acero inoxidable, mientras que la adición de silicio alterará sus características eléctricas, produciendo acero al silicio. Debido a su muy alta resistencia, pero aún dureza sustancial, y su capacidad de ser muy alterado por el tratamiento térmico, el acero es una de las aleaciones más útiles y comunes en el uso moderno. Al agregar cromo al acero, se puede mejorar su resistencia a la corrosión, creando acero inoxidable, mientras que la adición de silicio alterará sus características eléctricas, produciendo acero al silicio. Debido a su muy alta resistencia, pero aún dureza sustancial, y su capacidad de ser muy alterado por el tratamiento térmico, el acero es una de las aleaciones más útiles y comunes en el uso moderno. Al agregar cromo al acero, se puede mejorar su resistencia a la corrosión, creando acero inoxidable, mientras que la adición de silicio alterará sus características eléctricas, produciendo acero al silicio.
Al igual que el aceite y el agua, un metal fundido no siempre se mezcla con otro elemento. Por ejemplo, el hierro puro es casi completamente insoluble con el cobre. Incluso cuando los constituyentes son solubles, cada uno generalmente tendrá un punto de saturación, más allá del cual no se puede agregar más constituyente. El hierro, por ejemplo, puede contener un máximo de 6.67% de carbono. Aunque los elementos de una aleación generalmente deben ser solubles en estado líquido, es posible que no siempre sean solubles en estado sólido. Si los metales permanecen solubles cuando son sólidos, la aleación forma una solución sólida, convirtiéndose en una estructura homogénea que consiste en cristales idénticos, llamados fases. Si a medida que la mezcla se enfría, los constituyentes se vuelven insolubles, pueden separarse para formar dos o más tipos diferentes de cristales, creando una microestructura heterogénea de diferentes fases, algunos con más de un constituyente que la otra fase. Sin embargo, en otras aleaciones, los elementos insolubles pueden no separarse hasta que se produce la cristalización. Si se enfrían muy rápido, primero cristalizan como una fase homogénea, pero están sobresaturadas con los constituyentes secundarios. A medida que pasa el tiempo, los átomos de estas aleaciones sobresaturadas pueden separarse de la red cristalina, volverse más estables y formar una segunda fase que sirve para reforzar los cristales internamente. Algunas aleaciones, como el electrum, que es una aleación que consta de plata y oro, se producen de forma natural. Los meteoritos a veces están hechos de aleaciones naturales de hierro y níquel, pero no son nativas de la Tierra. Una de las primeras aleaciones fabricadas por humanos fue el bronce, que es una mezcla de los metales estaño y cobre. El bronce era una aleación extremadamente útil para los antiguos, porque es mucho más fuerte y más duro que cualquiera de sus componentes. El acero era otra aleación común. Sin embargo, en la antigüedad, solo podía crearse como un subproducto accidental del calentamiento del mineral de hierro en los incendios (fundición) durante la fabricación del hierro. Otras aleaciones antiguas incluyen peltre, latón y arrabio. En la era moderna, el acero se puede crear de muchas formas. El acero al carbono se puede fabricar variando solo el contenido de carbono, produciendo aleaciones blandas como acero dulce o aleaciones duras como el acero para muelles. Los aceros de aleación pueden fabricarse agregando otros elementos, como cromo, molibdeno, vanadio o níquel, lo que da como resultado aleaciones como acero de alta velocidad o acero para herramientas. Pequeñas cantidades de manganeso generalmente se alean con la mayoría de los aceros modernos debido a su capacidad para eliminar impurezas no deseadas, como fósforo, azufre y oxígeno. que puede tener efectos perjudiciales sobre la aleación. Sin embargo, la mayoría de las aleaciones no se crearon hasta los años 1900, como varias aleaciones de aluminio, titanio, níquel y magnesio. Algunas superaleaciones modernas, como incoloy, inconel y hastelloy, pueden consistir en una multitud de elementos diferentes.
Terminología
Como sustantivo, el término aleación se usa para describir una mezcla de átomos en la cual el constituyente primario es un metal. Cuando se usa como verbo, el término se refiere al acto de mezclar un metal con otros elementos. El metal primario se llama base , matriz o solvente . Los constituyentes secundarios a menudo se llaman solutos . Si hay una mezcla de solo dos tipos de átomos (sin contar las impurezas), como una aleación de cobre y níquel, entonces se llama aleación binaria. Si hay tres tipos de átomos que forman la mezcla, como hierro, níquel y cromo, entonces se llama aleación ternaria. Una aleación con cuatro componentes es una aleación cuaternaria, mientras que una aleación de cinco partes se denomina aleación quinaria. Debido a que el porcentaje de cada componente se puede variar, con cualquier mezcla, el rango completo de variaciones posibles se denomina sistema . A este respecto, todas las diversas formas de una aleación que contiene solo dos componentes, como hierro y carbono, se denominan sistemas binarios, mientras que todas las combinaciones de aleaciones posibles con una aleación ternaria, como aleaciones de hierro, carbono y cromo, se llama un sistema ternario .
Aunque una aleación es técnicamente un metal impuro, al referirse a las aleaciones, el término "impurezas" generalmente denota aquellos elementos que no son deseados. Dichas impurezas se introducen a partir de los metales base y los elementos de aleación, pero se eliminan durante el procesamiento. Por ejemplo, el azufre es una impureza común en el acero. El azufre se combina fácilmente con el hierro para formar sulfuro de hierro, que es muy frágil y crea puntos débiles en el acero. El litio, el sodio y el calcio son impurezas comunes en las aleaciones de aluminio, que pueden tener efectos adversos sobre la integridad estructural de las piezas fundidas. Por el contrario, de lo contrario, los metales puros que simplemente contienen impurezas indeseadas a menudo se denominan "metales impuros" y no suelen denominarse aleaciones. El oxígeno, presente en el aire, se combina fácilmente con la mayoría de los metales para formar óxidos metálicos; especialmente a temperaturas más altas encontradas durante la aleación. A menudo se toma mucho cuidado durante el proceso de aleación para eliminar el exceso de impurezas, utilizando fundentes, aditivos químicos u otros métodos de metalurgia extractiva.
En la práctica, algunas aleaciones se usan predominantemente con respecto a sus metales base que el nombre del constituyente primario también se usa como el nombre de la aleación. Por ejemplo, el oro de 14 quilates es una aleación de oro con otros elementos. Del mismo modo, la plata utilizada en joyería y el aluminio utilizado como material de construcción estructural también son aleaciones.
El término "aleación" se usa a veces en el habla cotidiana como sinónimo de una aleación particular. Por ejemplo, las ruedas de automóviles hechas de una aleación de aluminio se conocen comúnmente como "llantas de aleación", aunque en realidad los aceros y la mayoría de los otros metales en el uso práctico también son aleaciones. El acero es una aleación tan común que muchos artículos hechos de ella, como ruedas, barriles o vigas, simplemente se mencionan con el nombre del artículo, asumiendo que está hecho de acero. Cuando están hechos de otros materiales, típicamente se especifican como tales (es decir, "rueda de bronce", "barril de plástico" o "viga de madera").
Teoría
La aleación de un metal se realiza al combinarlo con uno o más elementos. El proceso de aleación más común y más antiguo se realiza calentando el metal base más allá de su punto de fusión y luego disolviendo los solutos en el líquido fundido, lo que puede ser posible incluso si el punto de fusión del soluto es mucho mayor que el de la base. Sin embargo, algunos metales y solutos, como el hierro y el carbono, tienen puntos de fusión muy altos y eran imposibles de fundir para la gente antigua. Por lo tanto, la aleación también se puede realizar con uno o más constituyentes en estado gaseoso, como se encuentran en un alto horno para hacer arrabio, nitruración, carbonitruración u otras formas de endurecimiento de cajas, o el proceso de cementación utilizado para hacer blister. También se puede hacer con uno, más o todos los constituyentes en estado sólido,
Al agregar otro elemento a un metal, las diferencias en el tamaño de los átomos crean tensiones internas en el enrejado de los cristales metálicos; destaca que a menudo mejoran sus propiedades. Por ejemplo, la combinación de carbono con hierro produce acero, que es más fuerte que el hierro, su elemento principal. La conductividad eléctrica y térmica de las aleaciones suele ser inferior a la de los metales puros. Las propiedades físicas, tales como densidad, reactividad, el módulo de Young de una aleación pueden no diferir mucho de las de su elemento base, pero las propiedades de ingeniería tales como resistencia a la tracción, ductilidad y resistencia al cizallamiento pueden ser sustancialmente diferentes de las de los materiales constituyentes. Esto es a veces un resultado de los tamaños de los átomos en la aleación, porque los átomos más grandes ejercen una fuerza de compresión en los átomos vecinos. y átomos más pequeños ejercen una fuerza de tensión en sus vecinos, ayudando a la aleación a resistir la deformación. A veces, las aleaciones pueden presentar marcadas diferencias en el comportamiento incluso cuando hay pequeñas cantidades de un elemento. Por ejemplo, las impurezas en las aleaciones ferromagnéticas semiconductoras conducen a diferentes propiedades, como lo predijeron White, Hogan, Suhl, Tian Abrie y Nakamura. Algunas aleaciones se hacen fundiendo y mezclando dos o más metales. El bronce, una aleación de cobre y estaño, fue la primera aleación descubierta, durante el período prehistórico conocido ahora como la Edad del Bronce. Era más duro que el cobre puro y originalmente se usaba para fabricar herramientas y armas, pero luego fue reemplazado por metales y aleaciones con mejores propiedades. En tiempos posteriores, el bronce se ha utilizado para ornamentos, campanas, estatuas y cojinetes. El latón es una aleación hecha de cobre y zinc.
A diferencia de los metales puros, la mayoría de las aleaciones no tienen un solo punto de fusión, sino un rango de fusión durante el cual el material es una mezcla de fases sólidas y líquidas (un fango). La temperatura a la cual comienza la fusión se llama solidus, y la temperatura cuando se acaba de fundir se llama liquidus. Para muchas aleaciones hay una proporción de aleación particular (en algunos casos más de uno), llamada mezcla eutéctica o composición peritéctica, que le da a la aleación un punto de fusión único y bajo, y ninguna transición de lodo líquido / sólido.
Aleaciones tratables térmicamente
Los elementos de aleación se agregan a un metal base para inducir dureza, dureza, ductilidad u otras propiedades deseadas. La mayoría de los metales y las aleaciones pueden endurecerse al crear defectos en su estructura cristalina. Estos defectos se crean durante la deformación plástica por martilleo, flexión, extrusión, etcétera, y son permanentes a menos que el metal se recristalice. De lo contrario, algunas aleaciones también pueden tener sus propiedades alteradas por tratamiento térmico. Casi todos los metales se pueden ablandar mediante el recocido, que recristaliza la aleación y repara los defectos, pero no todos pueden endurecerse mediante calentamiento y enfriamiento controlados. Muchas aleaciones de aluminio, cobre, magnesio, titanio y níquel se pueden fortalecer hasta cierto punto mediante algún método de tratamiento térmico, pero pocas responden a esto en la misma medida que el acero.
El hierro de metal base de la aleación de hierro y carbono conocido como acero, experimenta un cambio en la disposición (alotropía) de los átomos de su matriz de cristal a una cierta temperatura (generalmente entre 820 ° C y 1.600 ° F). 870 ° C), dependiendo del contenido de carbono. Esto permite que los átomos de carbono más pequeños entren en los intersticios del cristal de hierro. Cuando ocurre esta difusión, se dice que los átomos de carbono están en solución en el hierro, formando una fase singular, homogénea y cristalina llamada austenita. Si el acero se enfría lentamente, el carbono puede difundirse fuera del hierro y gradualmente volverá a su alótropo de baja temperatura. Durante el enfriamiento lento, los átomos de carbono ya no serán tan solubles con el hierro, y se verán obligados a precipitar fuera de la solución, nucleándose a una forma más concentrada de carburo de hierro (Fe 3).C) en los espacios entre los cristales puros de hierro. El acero se vuelve heterogéneo, ya que está formado por dos fases, la fase de hierro y carbono llamada cementita (o carburo) y ferrita de hierro puro. Tal tratamiento térmico produce un acero que es bastante suave. Sin embargo, si el acero se enfría rápidamente, los átomos de carbono no tendrán tiempo de difundirse y precipitarse como carburo, sino que quedarán atrapados dentro de los cristales de hierro. Cuando se enfría rápidamente, se produce una transformación sin difusión (martensita), en la que los átomos de carbono quedan atrapados en la solución. Esto hace que los cristales de hierro se deformen a medida que la estructura cristalina intenta cambiar a su estado de baja temperatura, dejando esos cristales muy duros pero mucho menos dúctiles (más quebradizos).
Mientras que la alta resistencia del acero se produce cuando se previene la difusión y la precipitación (formando martinsita), la mayoría de las aleaciones tratables térmicamente son aleaciones de endurecimiento por precipitación, que dependen de la difusión de los elementos de aleación para lograr su resistencia. Cuando se calientan para formar una solución y luego se enfrían rápidamente, estas aleaciones se vuelven mucho más blandas de lo normal, durante la transformación sin difusión, pero luego se endurecen a medida que envejecen. Los solutos en estas aleaciones se precipitarán con el tiempo, formando fases intermetálicas, que son difíciles de discernir a partir del metal base. A diferencia del acero, en el cual la solución sólida se separa en diferentes fases de cristal (carburo y ferrita), las aleaciones de endurecimiento por precipitación forman diferentes fases dentro del mismo cristal. Estas aleaciones intermetálicas parecen homogéneas en la estructura cristalina, pero tienden a comportarse de forma heterogénea
Aleaciones sustitucionales e intersticiales
Cuando un metal fundido se mezcla con otra sustancia, hay dos mecanismos que pueden causar la formación de una aleación, llamada intercambio de átomos y el mecanismo intersticial . El tamaño relativo de cada elemento en la mezcla juega un papel principal en la determinación de qué mecanismo ocurrirá. Cuando los átomos son relativamente similares en tamaño, el método de intercambio de átomos generalmente ocurre, donde algunos de los átomos que componen los cristales metálicos se sustituyen por átomos del otro constituyente. Esto se llama una aleación de sustitución. Los ejemplos de aleaciones de sustitución incluyen bronce y latón, en los que algunos de los átomos de cobre están sustituidos con átomos de estaño o zinc, respectivamente. En el caso del mecanismo intersticial, un átomo suele ser mucho más pequeño que el otro y no puede sustituir con éxito al otro tipo de átomo en los cristales del metal base. En cambio, los átomos más pequeños quedan atrapados en los espacios entre los átomos de la matriz cristalina, llamados intersticios . Esto se conoce como una aleación intersticial. El acero es un ejemplo de una aleación intersticial, porque los átomos de carbono muy pequeños encajan en los intersticios de la matriz de hierro. El acero inoxidable es un ejemplo de una combinación de aleaciones intersticiales y sustitutivas, porque los átomos de carbono encajan en los intersticios, pero algunos de los átomos de hierro están sustituidos por átomos de níquel y cromo.
Historia y ejemplos
Hierro meteórico
El uso de aleaciones por humanos comenzó con el uso de hierro meteórico, una aleación natural de níquel y hierro. Es el principal constituyente de los meteoritos de hierro que ocasionalmente caen en la Tierra desde el espacio exterior. Como no se usaron procesos metalúrgicos para separar el hierro del níquel, la aleación se usó tal como era. El hierro meteórico se puede forjar a partir de un calor rojo para fabricar objetos como herramientas, armas y uñas. En muchas culturas, se formó mediante el martilleo en frío en cuchillos y puntas de flecha. A menudo se usaban como yunques. El hierro meteórico era muy raro y valioso, y difícil para la gente antigua para trabajar.
Bronce y latón
El hierro se encuentra generalmente como mineral de hierro en la Tierra, a excepción de un depósito de hierro nativo en Groenlandia, que fue utilizado por los inuit. Sin embargo, se encontró cobre nativo en todo el mundo, junto con plata, oro y platino, que también se usaron para fabricar herramientas, joyas y otros objetos desde el Neolítico. El cobre era el más duro de estos metales, y el más ampliamente distribuido. Se convirtió en uno de los metales más importantes para los antiguos. Eventualmente, los humanos aprendieron a fundir metales como el cobre y el estaño del mineral, y, alrededor del 2500 aC, comenzaron a alear los dos metales para formar bronce, que era mucho más duro que sus ingredientes. El estaño era raro, sin embargo, se encuentra principalmente en Gran Bretaña. En el Medio Oriente, la gente comenzó a alear cobre con zinc para formar latón. Las civilizaciones antiguas tomaron en cuenta la mezcla y las diversas propiedades que produjo,
Amalgamas
Mercurio ha sido fundido de cinabrio durante miles de años. El mercurio disuelve muchos metales, como el oro, la plata y el estaño, para formar amalgamas (una aleación en forma de pasta blanda o líquida a temperatura ambiente). Las amalgamas se han usado desde 200 a. C. en China para dorar objetos como armaduras y espejos con metales preciosos. Los antiguos romanos a menudo usaban amalgamas de mercurio y estaño para dorar su armadura. La amalgama se aplicó como una pasta y luego se calentó hasta que el mercurio se vaporizó, dejando atrás el oro, la plata o el estaño. El mercurio se usaba a menudo en la minería para extraer metales preciosos como el oro y la plata de sus minerales.
Aleaciones de metales preciosos
Muchas civilizaciones antiguas aleaban metales con fines puramente estéticos. En el antiguo Egipto y Micenas, el oro a menudo se aleaba con cobre para producir oro rojo, o hierro para producir un brillante oro borgoña. El oro se solía encontrar aleado con plata u otros metales para producir varios tipos de oro coloreado. Estos metales también se usaron para fortalecerse entre sí, para fines más prácticos. El cobre a menudo se agrega a la plata para hacer plata esterlina, aumentando su fuerza para usar en platos, cubiertos y otros artículos prácticos. Muy a menudo, los metales preciosos se aleaban con sustancias menos valiosas como un medio para engañar a los compradores. Alrededor del año 250 a. C., el Rey de Siracusa le encargó a Arquímedes que buscara la manera de comprobar la pureza del oro en una corona, lo que llevaría al famoso grito de "¡Eureka!". sobre el descubrimiento de Arquímedes
Estaño
El término peltre cubre una variedad de aleaciones que consisten principalmente de estaño. Como metal puro, el estaño es demasiado suave para ser usado para cualquier propósito práctico. Sin embargo, durante la Edad del Bronce, el estaño era un metal raro en muchas partes de Europa y el Mediterráneo; debido a esto, a menudo se valoró más que el oro. Para fabricar joyas, cubiertos u otros objetos a partir del estaño, por lo general se aleaba con otros metales para aumentar su resistencia y dureza. Estos metales eran típicamente plomo, antimonio, bismuto o cobre. Estos solutos a veces se agregaban individualmente en cantidades variables, o se agregaban, haciendo una amplia variedad de objetos, desde artículos prácticos como platos, herramientas quirúrgicas, candelabros o embudos, hasta artículos decorativos como collares y pinzas para el cabello.
Los primeros ejemplos de peltre provienen del antiguo Egipto, alrededor de 1450 aC El uso del peltre se extendió por toda Europa, desde Francia hasta Noruega y Gran Bretaña (donde se extraía la mayor parte de la lata antigua) hasta el Cercano Oriente. La aleación también se usó en China y el Lejano Oriente, llegando a Japón alrededor del año 800 dC, donde se utilizó para fabricar objetos como vasijas ceremoniales, latas de té o cálices utilizados en santuarios sintoístas.
Acero y arrabio
La primera fundición conocida de hierro comenzó en Anatolia, alrededor de 1800 aC. Llamado el proceso de florecimiento, produjo hierro forjado muy suave pero dúctil. En el año 800 aC, la tecnología de fabricación de hierro se había extendido a Europa, llegando a Japón alrededor del año 700 DC. El arrabio, una aleación muy dura pero frágil de hierro y carbono, se producía en China ya en 1200 aC, pero no llegó a Europa hasta la Edad Media. El arrabio tiene un punto de fusión más bajo que el hierro, y se utilizó para fabricar hierro fundido. Sin embargo, estos metales encontraron poco uso práctico hasta la introducción del acero de crisol alrededor del año 300 a. Estos aceros eran de mala calidad, y la introducción de la soldadura de patrones, alrededor del siglo I dC, buscaba equilibrar las propiedades extremas de las aleaciones laminándolas, para crear un metal más resistente. Alrededor del 700 DC, los japoneses comenzaron a doblar el acero de fundición y el hierro fundido en capas alternas para aumentar la fuerza de sus espadas, utilizando flujos de arcilla para eliminar la escoria y las impurezas. Este método de fabricación de espadas japonés produjo una de las aleaciones de acero más puras de la Edad Media.
Si bien el uso del hierro comenzó a generalizarse alrededor de 1200 aC, principalmente debido a las interrupciones en las rutas comerciales para el estaño, el metal era mucho más suave que el bronce. Sin embargo, cantidades muy pequeñas de acero (una aleación de hierro y alrededor de 1% de carbono) siempre fueron un subproducto del proceso de florecimiento. La capacidad de modificar la dureza del acero por tratamiento térmico se conocía desde el 1100 aC, y el material raro se valoró para la fabricación de herramientas y armas. Debido a que los antiguos no podían producir temperaturas lo suficientemente altas como para fundir el hierro por completo, la producción de acero en cantidades decentes no se produjo hasta la introducción del acero blister durante la Edad Media. Este método introdujo carbono calentando hierro forjado en carbón durante largos períodos de tiempo, pero la penetración de carbono no era muy profunda, por lo que la aleación no era homogénea. En 1740, Benjamin Huntsman comenzó a fundir acero blister en un crisol para igualar el contenido de carbono, creando el primer proceso para la producción en masa de acero para herramientas. El proceso de Huntsman se utilizó para fabricar acero para herramientas hasta principios del siglo XX.
Con la introducción del alto horno en Europa en la Edad Media, el arrabio pudo producirse en volúmenes mucho más altos que el hierro forjado. Debido a que el arrabio podría derretirse, las personas comenzaron a desarrollar procesos de reducción del carbono en el arrabio líquido para crear acero. El charco se había utilizado en China desde el siglo primero, y se introdujo en Europa durante el siglo XVIII, cuando el arrabio fundido se agitaba mientras estaba expuesto al aire, para eliminar el carbono por oxidación. En 1858, Sir Henry Bessemer desarrolló un proceso de fabricación de acero soplando aire caliente a través de arrabio líquido para reducir el contenido de carbono. El proceso de Bessemer fue capaz de producir la primera fabricación de acero a gran escala.
Aceros de aleación
Aunque el acero es una aleación de hierro y carbono, el término "acero aleado" por lo general solo se refiere a los aceros que contienen otros elementos como vanadio, molibdeno o cobalto en cantidades suficientes para alterar las propiedades del acero base. Desde la antigüedad, cuando el acero se usaba principalmente para herramientas y armas, los métodos para producir y trabajar el metal a menudo eran secretos muy bien guardados. Incluso mucho después de la era de la razón, la industria siderúrgica era muy competitiva y los fabricantes hicieron todo lo posible para mantener la confidencialidad de sus procesos, resistiendo cualquier intento de analizar científicamente el material por temor a revelar sus métodos. Por ejemplo, se sabía que la gente de Sheffield, un centro de producción de acero en Inglaterra, impedía rutinariamente que visitantes y turistas ingresaran a la ciudad para evitar el espionaje industrial. Así,
Después de que Benjamin Huntsman desarrollara su crisol de acero en 1740, comenzó a experimentar con la adición de elementos como el manganeso (en forma de arrabio de alto manganeso llamado spiegeleisen).), lo que ayudó a eliminar las impurezas como el fósforo y el oxígeno; un proceso adoptado por Bessemer y todavía utilizado en aceros modernos (aunque en concentraciones lo suficientemente bajas como para seguir considerándose acero al carbono). Después, mucha gente comenzó a experimentar con varias aleaciones de acero sin mucho éxito. Sin embargo, en 1882, Robert Hadfield, al ser un pionero en la metalurgia del acero, se interesó y produjo una aleación de acero que contenía alrededor del 12% de manganeso. Llamado mangalloy, exhibió dureza y dureza extremas, convirtiéndose en el primer acero de aleación comercialmente viable. Después, creó el acero al silicio, iniciando la búsqueda de otras posibles aleaciones de acero.
Robert Forester Mushet descubrió que al agregar tungsteno al acero podía producir un borde muy duro que resistiría a perder su dureza a altas temperaturas. "El acero especial de R. Mushet" (RMS) se convirtió en el primer acero de alta velocidad. En 1912, la siderúrgica Krupp en Alemania desarrolló un acero resistente al óxido añadiendo un 21% de cromo y un 7% de níquel, produciendo el primer acero inoxidable.
Aleaciones de endurecimiento por precipitación
En 1906, las aleaciones de endurecimiento por precipitación fueron descubiertas por Alfred Wilm. Las aleaciones de endurecimiento por precipitación, como ciertas aleaciones de aluminio, titanio y cobre, son aleaciones tratables térmicamente que se ablandan cuando se apagan (se enfrían rápidamente) y luego se endurecen con el tiempo. Después de enfriar una aleación ternaria de aluminio, cobre y magnesio, Wilm descubrió que la aleación aumentaba en dureza cuando se deja envejecer a temperatura ambiente. Aunque no se proporcionó una explicación del fenómeno hasta 1919, el duraluminio fue una de las primeras aleaciones "endurecedoras" que se usaron, y pronto lo siguieron muchos otros. Debido a que a menudo exhiben una combinación de alta resistencia y bajo peso, estas aleaciones se utilizaron ampliamente en muchas formas de la industria, incluida la construcción de aviones modernos.