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5.1 Introducción

En el diagrama de equilibrio o de fases, Fe-C se representan las transformaciones que sufren los aceros al carbono con la temperatura, admitiendo que el calentamiento (o enfriamiento) de la mezcla se realiza muy lentamente de modo que los procesos de difusión (homogeneización) tienen tiempo para completarse.

Uno de los materiales de fabricación y construcción más versátil, más adaptable y más ampliamente usado es el ACERO. A un precio relativamente bajo, el acero combina la resistencia y la posibilidad de ser trabajado, lo que se presta para fabricaciones mediante muchos métodos. Además, sus propiedades pueden ser manejadas de acuerdo a las necesidades específicas mediante tratamientos con calor, trabajo mecánico, o mediante aleaciones.Los materiales No Ferrosos no contienen hierro. Estos incluyen el aluminio, magnesio, zinc, cobre, plomo y otros elementos metálicos. Las aleaciones el latón y el bronce, son una combinación de algunos de estos metales No Ferrosos y se les denomina Aleaciones No Ferrosas.

El Acero es básicamente una aleación o combinación de hierro y carbono (alrededor de 0,05% hasta menos de un 2%). Algunas veces otros elementos de aleación específicos tales como el Cr (Cromo) o Ni (Níquel) se agregan con propósitos determinados.

Si la aleación posee una concentración de carbono mayor al 2,0% se producen fundiciones que, en oposición al acero, son quebradizas y no es posible forjarlas sino que deben ser moldeadas.

5.2 Definiciones

  • Austenita:Fase γ, una solución solida intersticial de carbono en hierro FCC. La máxima solubilidad en estado del carbono en la austenita es del 2%. [1]

  • Austenización: Calentamiento de un acero dentro de un rango de temperatura de la austenita para que su composición se convierta en austenita. La temperatura de la austenización varia dependiendo de la composición del acero. [1]

  • Ferrita: Fase α, una solución solida intersticial de carbono en hierro BCC. La máxima solubilidad solida de carbono en hierro BCC es del 0,02%. [1]

  • Cementita: El compuesto intermetálico Fe3C; una sustancia dura y quebradiza. [1]

  • Perlita: Una mezcla de fases ferrita y cementita en laminas paralelas producida por la descomposición eutectoide de la austenita. [1]

  • Eutectoide: Acero con un 0,8% C. [1]

  • Hipoeutectoide: Acero con menos de 0,8% C. [1]

  • Hipereutectoide: Acero con un 0,8% C a un 2% C. [1]

  • Alotropía del Hierro: Muchos elementos y compuestos existen en más de una forma cristalina, bajo diferentes condiciones de temperatura y presión. Este fenómeno es determinado como polimorfismo o alotropía. Muchos metales industrialmente importantes como el hierro, titanio y cobalto experimentan transformaciones alotrópicas a elevadas temperaturas y a presión atmosférica. [1]

  • Acero: Es toda aleación Fe-C entre 0,008% y 1,76% de Carbono.

 

5.3 Diagrama Hierro Carbono (Fe-C)

En el diagrama de fase del Fe se observa las formas alotrópicas del hierro sólido, BCC y FCC, a distintas temperaturas:

Hierro alfa (α): Cristaliza a 768 ºC. Su estructura cristalina es BCC con una distancia interatómica de 2.86 Å. Prácticamente no disuelve en carbono.

Hierro gamma (γ): Se presenta de 910ºC a 1400ºC. Cristaliza en la estructura cristalina FCC con mayor volumen que la estructura cristalina de hierro alfa. Disuelve fácilmente en carbono y es una variedad de Fe amagnético.

Hierro delta (δ): Se inicia a los 1400ºC y presenta una reducción en la distancia interatómica que la hace retornar a una estructura cristalina BCC. Su máxima solubilidad de carbono es 0.007% a 1487ºC. No posee una importancia industrial relevante. A partir de 1537ºC se inicia la fusión del Fe puro.

Según el porcentaje de carbono las aleaciones Hierro-Carbono puede clasificarse en:

  • Aceros %C ≤1.76%.

  • Fundiciones %C≥1.76% – 6.667%C

El carbono puede presentarse en tres formas distintas en las aleaciones Fe-C:

  • En solución intersticial.

  • Como carburo de hierro.

  • Como carbono libre o grafito.

diagrama fe-c

Figura 5.1 Diagrama Hierro Carbono. [3]

El estado actual del diagrama de equilibrio de las aleaciones hierro−carbono fue establecido como resultado de las investigaciones hechas por varios científicos. La elaboración de este diagrama fue empezada por D. Chernov, quien estableció en 1968 los puntos críticos del acero. Más tarde volvió a estudiar reiteradamente este diagrama. N. Gutovski, M. Wittorft, Roberts Austen, Roozebom hicieron una gran aportación al estudio de este diagrama. Los últimos datos acerca del diagrama están expuestos en las obras de I. Kornilov.

Las aleaciones hierro−carbono pertenecen al tipo de aleaciones que forman una composición química. El carbono se puede encontrar en las aleaciones hierro−carbono, tanto en estado ligado (Fe3C), como en estado libre (C, es decir, grafito), por eso, el diagrama comprende dos sistemas:

  • Fe−Fe3C (metaestable); este sistema está representado en el diagrama con líneas llenas gruesas y comprende aceros y fundiciones blancas, o sea, las aleaciones con el carbono ligado, sin carbono libre (grafito).

  • Fe−C (estable); en el diagrama se representa con líneas punteadas; este sistema expone el esquema de formación de las estructuras en las fundiciones grises y atruchadas donde el carbono se encuentra total o parcialmente en estado libre (grafito).

Para estudiar las transformaciones que tienen lugar en aceros y fundiciones blancas se emplea el diagrama Fe−Fe3C, y para estudiar fundiciones grises, ambos diagramas (Fe−Fe3C y Fe−C). Temperatura a que tienen lugar los cambios alotrópicos en el hierro está influida por elementos de aleación, de los cuales el más importante es el carbono. Muestra la porción de interés del sistema de aleación hierro − carbono. Esta la parte entre hierro puro y un compuesto intersticial, carburo de hierro, Fe3C, que contiene 6.67 % de carbono por peso; por tanto, esta porción se llamará diagrama de equilibrio hierro − carburo de hierro. Este no es un verdadero diagrama de equilibrio, pues el equilibrio implica que no hay cambio de fase con el tiempo; sin embargo, es un hecho que el compuesto carburo de hierro se descompondrá en hierro y carbono (grafito).

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Figura 5.2 Diagrama Hierro- Carbono [21]

El diagrama hierro carbono tiene los siguientes puntos críticos.

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 Figura 5.3 Puntos críticos en Diagrama Fe-C [21]

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Figura 5.4  Diagrama Fe-C. [4]

Con el fin de brindar los datos exactos de la cantidad de cada uno de los componentes en un punto determinado del diagrama, se puede ingresar al siguiente link http://www.steeluniversity.org/content/html/spa/phase-diagram.asp, donde encontrara una aplicación, que permite establecer con toda exactitud las temperaturas exactas de los puntos así como el porcentaje de hierro y carbono.

5.4 Fases Del Diagrama Hierro Carbono


5.4.1 Fase Austenítica (0 hasta 2,1% C)

La austenita es el constituyente más denso de los aceros y está formado por una solución sólida por inserción de carbono en hierro gamma, como lo muestra la Figura 5.3 La cantidad de carbono disuelto, varía de 0 a 2.1 % C que es la máxima solubilidad a la temperatura de 1130 °C.

La austenita presenta las siguientes características:

  • Baja temperatura de fusión.

  • Baja tenacidad.

  • Excelente soldabilidad.

  • No es magnética.

La austenita está formada por cristales cúbicos centrados en las caras estructura (FCC).

austenita

Figura 5.5  Microestructura interna de la austenita. [6]


5.4.2 Fase Ferrítica

5.4.2.1 Ferrita alfa α (0 hasta 0,022%C)

Es el nombre dado a la solución sólida α. Su estructura cristalina es BCC con una distancia interatómica de 2.86 Å. Prácticamente no disuelve en carbono, como se puede observar en la Figura 5.4, donde se tiene un acero con bajo porcentaje de carbono.

La máxima solubilidad es 0,022% de C a 727°C, y disuelve sólo 0,008% de C a temperatura ambiente.

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Figura 5.6  Microestructura interna de la ferrita. [7]

5.4.2.2 Ferrita delta δ (0 hasta 0,09%C)

Se inicia a los 1400ºC y presenta una reducción en la distancia interatómica que la hace retornar a una estructura cristalina BCC. Su máxima solubilidad de carbono es 0.007% a 1487ºC. Las características de la ferrita δ son:

  • Muy blanda.

  • Estructura cristalina BCC

  • Es magnética.

  • Muy poca posibilidad de disolución del carbono.

La ferrita experimenta a 912°C una transformación polimórfica a austenita FCC o hierro γ. No posee una importancia industrial relevante. A partir de 1537ºC se inicia la fusión del Fe puro.

La ferrita δ es como la ferrita α, y sólo se diferencian en el tramo de temperaturas en el cual existen.


5.4.3 Fase Cementita (0,022% a 6,67%C)

Se forma cementita (Fe3C) cuando se excede el límite de solubilidad del carbono en ferrita α por debajo de 727°C (la composición está comprendida en la región de fases α+Fe3C). La cementita, desde el punto de vista mecánico, es dura y frágil, y su presencia aumenta considerablemente la resistencia de algunos aceros.

La cementita se presenta de forma oscura al ser observada al microscopio como se puede ver en la Figura 5.5, Estrictamente hablando, la cementita es sólo metaestable; esto es, permanece como compuesto a temperatura ambiente indefinidamente. Pero si se calienta entre 650 y 700°C durante varios años, cambia gradualmente o se transforma en hierro α y carbono, en forma de grafito, que permanece al enfriar hasta temperatura ambiente. Es decir, el diagrama de fases no está verdaderamente en equilibrio porque la cementita no es un compuesto estable. Sin embargo, teniendo en cuenta que la velocidad de descomposición de la cementita es extraordinariamente lenta, en la práctica todo el carbono del acero aparece como Fe3C en lugar de grafito y el diagrama de fases hierro-carburo de hierro es, en la práctica, válido.

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Figura 5.7  Microestructura interna de la cementita[8]

Las zonas oscuras corresponde a cementita que es el mayor constituyente en la fundición blanca, las zonas claras corresponden a perlita

La cementita posee las siguientes propiedades:

  • Alta dureza.

  • Muy frágil.

  • Alta resistencia al desgaste.


5.4.4 Fase Ledeburita

La ledeburita no es un constituyente de los aceros, sino de las fundiciones. Se encuentra en las aleaciones Fe-C cuando el porcentaje de carbono en hierro aleado es superior al 25%, es decir, un contenido total de 1.76% de carbono.

La ledeburita se forma al enfriar una fundición líquida de carbono (de composición alrededor del 4.3% de C) desde 1130ºC, siendo estable hasta 723ºC, descomponiéndose a partir de esta temperatura en ferrita y cementita. Está formada por 52% de cementita y 48% de austenita. La ledeburita no existe a temperatura ambiente en las fundiciones ordinarias debido a que en el enfriamiento se transforma en cementita y perlita; sin embargo en las fundiciones se puede conocer las zonas donde existió la ledeburita por el aspecto eutéctico con que quedan las agrupaciones de perlita y cementita.

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Figura 5.8  Microestructura interna de la ledeburita [8]


5.4.5 Fase Perlita

Es la mezcla eutectoide que contiene 0,77 % de C y se forma a 727°C a un enfriamiento muy lento. Es una mezcla muy fina, tipo placa o laminar de ferrita y cementita. Se le da este nombre porque tiene la apariencia de una perla al observarse microscópicamente a pocos aumentos.

Cuando esta estructura laminar es muy fina (las láminas son muy delgadas) la perlita se ve al microscopio óptico como negra. Sin embargo ambas fases, ferrita y cementita en condiciones normales de ataque son blancas. El color oscuro o negro lo producen el gran número de límites de grano existentes entre la matriz ferrítica y las láminas de cementita. Se comprende que cuanto más anchas sean las láminas (se habla entonces de perlita abierta o basta) la tonalidad se irá aclarando hasta poder distinguirse las distintas láminas, no por ello la perlita pierde su carácter de microconstituyente.

Hay dos tipos de perlita:

  • Perlita fina: dura y resistente.

  • Perlita gruesa: menos dura y más dúctil.

La perlita gruesa es más dúctil que la perlita fina a consecuencia de la mayor restricción de la perlita fina a la deformación plástica. Mecánicamente las perlitas tienen las propiedades intermedias entre la blanda y dúctil ferrita y la dura y quebradiza cementita.

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Figura 5.9 Micro-estructura interna de la perlita [9]


5.2.6 Fase Grafito

Cuando las aleaciones hierro carbono, exceden el 2% de carbono se tiende a formar grafito, en la matriz de la aleación. Es especialmente cierto en la fundición gris, donde el grafito aparece en forma de escamas y es una característica predominante de la microestructura. En la Figura 5.8 se observa la una forma típica del grafito, la cual muestra la formación de este en forma de esferas.

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Figura 5.10 Microestructura interna del grafito [8]

Es bastante duro, por lo que una cantidad elevada de grafito hace que la aleación sea muy dura pero a la vez, muy frágil, además los copos de grafito imparten una buena maquinabilidad actuando como rompe virutas, y también presentan una buena capacidad de amortiguación.

El grafito se puede clasificar en varios tipos:
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