Diagrama

Introduccion:

En este informe se le presentara una breve introduccion de lo que es el diagrama de hierro carbono.

Teoria relacionada:

La adición de elementos de aleación al hierro influye en las temperaturas a que se producen las transformaciones alotrópicas. Entre estos elementos, el más importante es el carbono.

El diagrama hierro-carbono, aun cuando teóricamente representa unas condiciones metastables, se puede considerar que en condiciones de calentamiento y enfriamiento relativamente lentas representa cambios de equilibrio.

En el diagrama aparecen tres líneas horizontales, las cuales indican reacciones isotérmicas. La parte del diagrama situada en el ángulo superior izquierdo de la figura se denomina región delta. En ella se reconocerá la horizontal correspondiente a la temperatura de 1493ºC como la típica línea de una reacción peritéctica.

Diagrama hierro carbono

Para las fases constituyentes de un acero debe estudiarse el diagrama hierro- carburo de hierro. muestra las fases de hierro carbono enfriadas lentamente, composiciones 6.67 % de hierro, a diferente temperatura

y otra de fin del cambio de estado (fusión o solidificación, como ocurre con las aleaciones de contenido de carbono superior o inferior al 4,3 %).

Por eso la línea OZCD, de principio de solidificación, tiene con la OBYECF el punto común C, que es el eutéctico.

Y así como con contenidos inferiores de carbono entre el principio y el fin de la solidificación se va precipitando austenita, y para aleaciones de contenidos de carbono superiores al 4,3 % entre el principio y el fin de la solidificación se precipitan cristales de cementita, las aleaciones del 4,3 % de C se solidifican formando un solo constituyente, que también se denomina eutéctico y es la ledeburita, formado, como se sabe, por el 52 % de cementita y el 48 % de austenita de 2,11% de carbono a 1.148 grados.

3º.- El punto E marca la máxima solubilidad del carbono en hierro gamma; es decir, que es el punto de máximo contenido de carbono de la austenita, que, como se recordará, es solución sólida de carbono en hierro gamma. Este punto corresponde a un contenido de carbono de 2,11%.

4º.- El punto S (P), denominado eutectoide, es análogo al punto C, que denominábamos eutéctico. La diferencia está en que en el punto eutéctico tiene lugar un cambio de estado de líquido a sólido o de sólido a líquido, y en el punto eutectoide se produce solamente una transformación de la constitución de la aleación, que es sólida lo mismo a temperaturas inferiores que a temperaturas superiores al punto eutectoide.

La analogía, salvo esta diferencia, es total. Así como el punto C (eutéctico) marcaba la composición de la aleación que permanecía líquida a más baja temperatura, también el punto P (eutectoide) marca la composición de la austenita, que es estable a más baja temperatura. Este porcentaje es de 0,89% (0,77%) de C, o sea, 13,5% de carburo de hierro.

Además, la totalidad de la masa de la austenita, de composición eutectoide, se transforma íntegramente al pasar por el punto P (eutectoide) en perlita, que es el constituyente eutectoide, igual que era la ledeburita el constituyente eutéctico que se formaba al solidificarse la aleación en el punto C (eutéctico). Para contenidos de carbono superiores o inferiores al del punto P (0,77% de C), la austenita va segregando un constituyente nuevo hasta que, al llegar a la temperatura de 727º, la austenita alcanza la composición eutectoide y se transforma íntegramente en perlita. Para porcentajes de carbono superiores aI 0,77%, la austenita, al enfriarse por debajo de la línea Acm (PE), segrega cementita hasta llegar a los 727º. Y para porcentajes de carbono inferiores al 0,77% de C, la austenita, al bajar en su enfriamiento de temperaturas inferiores a las de la línea A3 (GP), segrega ferrita hasta llegar a los 727º.

5º.- Punto Y, cuyo porcentaje de carbono de 0,18 % es el de la austenita, que permanece estable a la más alta temperatura de 1.492°. Este punto se denomina peritéctico, y puede considerarse como un punto eutéctico al revés.

6º.- El punto B, de 0,08 % de C, es el máximo porcentaje que puede contener en solución sólida el hierro delta.

7º.- Por último, el punto L, de 0,022% de C, que es el máximo porcentaje de carbono que puede disolver la ferrita.

Se ha marcado también en el diagrama, en el eje de las abscisas, un punto que corresponde a 0,022% de carbono, que es el mínimo que puede contener el hierro para que se considere aleación hierro-carbono. Por debajo de este porcentaje de carbono se considera como hierro técnicamente puro.

En el eje de las ordenadas hay los siguientes puntos críticos:

Ao = 230º, en el que tiene lugar el cambio magnético de la cementita. Es decir, hasta 230º la cementita es magnética, y por encima de esta temperatura deja de ser magnética.

A1 = 727º, que es el límite de la perlita.

A2 = 768°, que es la temperatura de cambio magnético de la ferrita. Por encima de esta temperatura, la ferrita deja de ser magnética.

A3 = (línea GP), que es el límite de la ferrita. Este punto crítico varía desde 727º a 912º, según el % de carbono.

Acm = (línea PE), que es el límite de la cementita. Este punto crítico varía entre 727º y 1.148º.

Línea EF = 1.148º, que es el límite de la ledeburita.

La línea OBYECF es la de temperaturas de iniciación de la fusión al calentar o de terminación de la solidificación al enfriar. Por debajo de esta línea todo el metal está sólido.

La línea AZCD es la de temperaturas de fin de la fusión al calentar o de iniciación de la solidificación al enfriar. Por encima de ella todo el metal está en estado líquido. Entre esta línea y la anterior existe una mezcla de líquido y sólido.

Línea A4 = (línea BZ), que es el límite superior de la austenita.

Ejemplo de Aplicación del Diagrama de Equilibrio Hierro Carbono Tomemos una aleación hierro – carbono de 0.20 % de C (Acero AISI-SAE 1020). A una temperatura superior a 1535 °C se encuentra esta aleación en estado de solución líquida, al disminuir la temperatura cristaliza en forma de hierro δ (alfa), si seguimos enfriando se convierte en austenita o hierro γ(gamma). Tomemos una temperatura de 980 °C si se toma una recta horizontal se obtiene al interceptar con la línea SE un punto que proyectado sobre el eje x señala el % de C que tiene a esa temperatura el hierro γ (1.3 % de C) Si seguimos enfriando llegamos a una temperatura de 840 °C donde empieza la transformación de austenita en ferrita y se tiene una zona de austenita más ferrita, que si se desea determinar el contenido de cabono para ambos, se debe recurrir a trazar una recta horizontal y bajamos hasta el eje x, por ejemplo para 760 °C se obtiene 0.09 % de C en la ferrita y en la austenita 0.57 % de C.

ESTRUCTURAS, TRANSFORMACIONES,

TRATAMIENTOS TERMICOS Y APLICACIONES

2.1. Diagrama hierro-carbono

Para el estudio de las estructuras de los aceros industriales se necesita, en primer lugar, conocer y manejar con soltura el diagrama hierro-carbono, que se muestra en la Figura anterior

Tratamientos térmicos fundamentales

Además de los tratamientos de temple y revenido, que ya se han descrito en los

capítulos 4 y 6, se presentan a continuación los tratamientos de normalizado, recocido y,

más adelante, los distintos tratamientos isotérmicos y termomecánicos.

Recocido

El término recocido se aplica a diferentes tratamientos térmicos cuyo objetivo principal

es la obtención de microstructuras de baja dureza y alta ductilidad. El recocido más

habitual o recocido de regeneración o de austenización completa consiste en calentar el

acero hasta el dominio austenftico y enfriarlo luego lentamente (normalmente en el

interior del propio horno de tratamiento). Dado que la velocidad de enfriamiento es muy

pequeña se obtienen estructuras ferrito-perlíticas groseras y, por ello, blandas y dúctiles.

La Figura 7.1 muestra sobre el diagrama hierro-carbono el rango de temperaturas que es

necesario alcanzar para la realización de diferentes tratamientos térmicos. En el caso del

tratamiento de recocido ("annealing"), se utilizan temperaturas ligeramente superiores a

A3 con los aceros hipoeutectoides, mientras que en el caso de los aceros

hipereutectoides se emplean temperaturas justo superiores a Al' El efecto que se busca

al calentar los aceros hipereutectoides hasta la región bifásica (austenita+cementita) es

el de tratar de globulizar la cementita proeutectoide, ya que si estos aceros se calientan

por encima de la temperatura Acm, la cementita se formaría en el enfriamiento a lo largo

de las juntas de grano austeníticas (véase la Figura 2.3) y el producto resultante sería

excesivamente frágil. Por el contrario, cuando los aceros de alto carbono se mantienen

justo por encima de la temperatura Al' se rompe progresivamente el entramado continuo

de cementita, se forman así partículas de cementita separadas y luego éstas globulizan,

disminuyendo así el área de las intercaras cementita/austenita (fuerza impulsora del

proceso). El uso de una velocidad de enfriamiento suficientemente lenta es la otra

característica diferenciadora del tratamiento de recocido. En la Figura 7.2 se han

representado los tratamientos de recocido y normalizado sobre las curvas TTT de un

acero hipoeutectoide. Una vez que toda la austenita se ha transformado en el

Capítulo 7enfriamiento en ferrita y perlita ya se puede incrementar la velocidad del enfriamientopara disminuir el tiempo total del tratamiento

Normalizado

. p= TC20 + 109 t)

La finalidad del tratamiento de normalizado es también obtener una microestructura de

ferrita (o cementita) y perlita. El normalizado de los aceros se realiza a una temperatura

mayor que el recocido para lograr un austenita homogénea, aunque esta temperatura es

menor que la que se utiliza en la homogeneización ya que se pretende obtener una

austenita de grano fino. Tal y como se observa en la Figura 7.2, la velocidad de

enfriamiento en el normalizado es más rápida que en el tratamiento de recocido

(enfriamiento al aire, habitualmente), la transformación de la austenita tiene lugar a una

temperatura inferior y en consecuencia tanto el grano de ferrita proeutectoide coino la

separación interlaminar de la perlita se reducen, obteniéndose el afino de grano del

acero, que puede ser bastante basto en el caso de una pieza moldeada o de haber

realizado operaciones de deformación en caliente a alta temperatura. Este es el objetivo

prinicipal del tratamiento.

La fina microestructura típica del tratamiento de normalizado da lugar a unos productos

de mayor resistencia y dureza pero de algo menor ductilidad que los mismos aceros

recocidos. Los aceros hipereutectoides suelen calentarse en el normalizado por encima

de la temperatura Acm no solo con objeto de afinar su grano sino también para redisolver

los aglomerados de carburos que se pudieron haber formado en etapas de procesado

anteriores. De este modo, estos aceros así tratados, responden mejor a los tratamientos

posteriores de recocido o de temple.

Tratamientos isotérmicos

Como su propio nombre indica, la característica más significativa de los tratamientos

isotérmicos es que en el curso del enfriamiento o durante la transformación de la

austenita se mantiene la temperatura constante durante un cierto periodo de tiempo.

Martempering

El tratamiento térmico de martempering, también llamado temple escalonado o temple

interrumpido, es un tratamiento de endurecimiento (temple) que consiste en enfriar la

pieza previamente austenizada hasta una temperatura ligeramente mayor que Ms

(normalmente ISO-250°C) para lo que se introduce la pieza en cuestión en un baño de

sales, que se mantiene a la temperatura citada. La pieza a tratar se mantiene en el

interior del baño el tiempo suficiente para uniformizar su temperatura y posteriormente

se enfría al aire para obtener martensita. Segidamente es necesario realizar el

correspondiente tratamiento de revenido. De este modo se logran reducir al mínimo las

tensiones residuales que aparecen en la transformación de la austenita en martensita y

los riesgos de distorsiones y agrietamientos.

Austemperizado o temple bainítico

~l austemperizado es otro tratamiento de endurecimiento diseñado también para reducir

las tensiones internas y los riesgos de agrietamiento en el temple de los aceros de alto

carbono. En este caso el objeto del tratamiento es obtener una microestructura bainítica

en lugar de martensita, para lo que la pieza a tratar se transfiere desde el horno de

austenizado hasta un segundo horno donde se introduce la pieza en un baño de sales y

se mantiene isotérmicamente a una temperatura superior a Ms (normalmente 240400°

C) hasta que se completa la transformación de la austenita en bainita. Este

tratamiento no precisa revenido posterior. Como se observa en la Figura 7.9, que refleja

el ciclo térmico de austemperizado, se consigue la uniformización térmica de la pieza

antes del inicio de la transformación, lo que minimiza la aparición de tensiones durante

el tratamiento.

Patenting O patentado

Este último tratamiento isotérmico se realiza introduciendo la pieza, previamente

austenizada, en un baño de sales que se mantiene isotérmicamente en la región de la

nariz perlítica (normalmente 510-540°C), hasta que se completa la transformación de la

austenita en perlita fina (Figura 7.11). Es un tratamiento típicamente utilizado en la

fabricación de alambres de alto carbono de muy alta resistencia mecánica, ya que la

microestructura de perlita fina es ideal, en virtud de su alta ductilidad, para el trefilado

del alambre, para así lograr un fuerte endurecimiento por deformación plástica en frío.

Tratamiento intercrítico

Los tratamientos intercríticos que se utilizan con aceros de bajo contenido en carbono se

basan en calentar el acero hasta alcanzar la región bifásica donde coexisten la ferrita y la

austenita. De acuerdo con la Figura 7.12, a medida que se aumenta la temperatura del

tratamiento se incrementa la proporción de austenita, que puede deducirse con exactitud

utilizando la regla de la palanca.

Cuando un acero de bajo contenido en carbono se calienta hasta la región intercrítica y

luego se enfría rápidamente, la austenita se convierte en rnartensita y la rnicroestructura

final resultante es una mezcla de ferrita, con una alta densidad de dislocaciones, y

martensita (en ocasiones también aparece una pequeña proporción de austenita

retenida). Se necesita utilizar un medio de enfriamiento muy severo (agua) para formar

martensita en los aceros menos templables pero, sin embargo, basta un enfriamiento al

aire para lograr transfonnar la austenita en martensita en los aceros que presentan una

cierta templabilidad, ya que aunque se utilicen aceros de bajo carbono, el tratamiento

intercrítico genera una austenita con un contenido en carbono muy superior al medio del

acero, tanto mayor cuanto menor es la temperatura del tratamiento (véase de nuevo la

Figura 7.12), y en consecuencia su templabilidad también es mayor. Estos productos

también denominados aceros de fase dual unen una alta resistencia mecánica,

promovida por la presencia de martensita, con una buena ductilidad, conferida por la

ferrita.

Tratamientos termomecánicos

Se denominan tratamientos tennomecánicos a aquellos procesos que combinan procesos

de confonnado por defonnación plástica con tratamientos ténnicos, con la finalidad de

producir detenninadas microestructuras con propiedades mejoradas en relación a las que

se obtienen con los tratamientos convencionales.

El proceso denominado ausforming consiste en la defonnación plástica de la austenita

en la región metaestable que en algunos aceros existe entre sus curvas de

transfonnación perlfticas y bainíticas (habitualmente en tomo a SOO-600°C, Figura 7.13,

LTMT).

Concluciones:

A) El diagrama de hierro carbono nos sirve para saber donde se funden los metales.

B) Con el diagrama sabemos que porcentaje de carbono tiene cada metal.

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