LOS ACEROS AL CARBONO

LOS ACEROS AL CARBONO

Los aceros al Carbono son aleaciones

base Fe, con contenidos de Carbono superiores al

0,05% e inferiores al 2% en peso; la gran mayoría

de estos aceros tiene contenidos de C entre 0,1 y

1%p. En los aceros comerciales siempre hay otros

elementos, además de Fe y C; sin embargo, en una

primera presentación podemos hacer abstracción

de esos otros elementos y suponer que ellos están

dentro de rangos normales y que son constantes.

Existen muchas familias de aceros (aceros

inoxidables, aceros rápidos, aceros refractarios,

etc.). Aquí veremos aquella de los aceros al

Carbono, con una breve referencia a la de los

aceros de baja aleación.

1. Aceros al Carbono

1.1 Aceros al Carbono con Estructuras de

Equilibrio

En los aceros al Carbono, donde la

concentración de otros elementos es relativamente

baja, suponiendo condiciones de equilibrio, en

primera aproximación es válido considerar que el

diagrama de equilibrio binario Fe-C es aplicable.

Para efectos de los aceros al Carbono,

estrictamente basta considerar el extremo rico en

Fe de dicho diagrama, en el sector

correspondiente al diagrama Fe-cementita. La

cementita es un carburo de Fe, un compuesto

definido, de carácter no metálico (duro y frágil) y

de fórmula estequeométrica Fe3C. A dicha

fórmula se asocia la composición Fe-6,7%p.C.

Fig. 1 Diagrama de equilibrio Fe-cementita

En ese diagrama Fe-Fe3C se observa que

hay una reacción peritéctica (L+ δ= γ), otra

eutéctica (L = γ + Fe3C ) y una eutectoide (γ = α

+ Fe3C ) . Las fases indicadas en el diagrama son:

- Las siguientes soluciones sólidas de

carácter metálico:

Fase α o ferrita, solución sólida de C

disuelto intersticialmente en Fe

(CC).

Fase γ o austenita, solución sólida de C

disuelto intersticialmente en Fe

(CCC).

Fase δ o ferrita de alta temperatura,

solución sólida de C disuelto

intersticialmente en Fe (CC).

- Una fase sólida no metálica, de carácter

cerámico: cementita, Fe3C.

- Una fase L constituida por una solución

homogénea líquida de carácter metálico.

Para los tratamientos térmicos de los

aceros (que se realizan al estado sólido), bajo

condiciones de equilibrio, es muy importante

considerar la siguiente transformación al estado

sólido:

γ ↔ α + Fe3 C

Esta es una transformación eutectoide.

Las coordenadas del punto de transformación

eutectoide son: 0,77 %p. C y 723 °C.

(También hay tratamientos térmicos de

los aceros fuera del equilibrio, como lo es un

enfriamiento rápido (temple) desde la fase

austerita (γ). En tal caso, no es aplicable tan

directamente la lectura del diagrama de equilibrio.

Veremos tales tratamientos más adelante).

En lo sucesivo, en cuanto a las

transformaciones al equilibrio, nos referiremos

solamente a la transformación eutectoide, lo que

significa que nos limitaremos a procesos de

tratamientos térmicos (al estado sólido). No

consideraremos situaciones en las cuales participe

la fase líquida, como sería el caso de procesos de

fundición y soldadura, por ejemplo.

Según el respectivo diagrama de

equilibrio, la solubilidad del C es mucho mayor en

la fase γ que en la fase α. En efecto, la solubilidad

máxima de C es de 2,1 %p.C en la fase γ, en tanto

que ella es de sólo 0,02%p.C en la fase α ¿A qué

se debe a que tal solubilidad sea mayor en la fase

más densa γ (CCC) que en la fase menos densa α

(CC)?. Ello se explica considerando que el tamaño

de los intersticios es mayor en la fase γ que en la

fase α. En ambos casos se trata de soluciones

sólidas de inserción de C en el Fe.

La solubilidad del C en la α es muy baja.

Por razones conceptuales, ese campo del diagrama

usualmente no se dibuja a escala, para que se

alcance a ver el rango monofásico α. Nótese que

la coordenada de composición 0,02%p.C quedaría

confundida con el eje vertical. Otra característica

del diagrama es que las líneas laterales del campo

bifásico (α+Fe3C) son prácticamente verticales.

Así, dentro de ese campo, para una aleación dada,

la fracción de la o las fases presentes casi no

cambia con la temperatura.

Dependiendo de su composición, los

aceros se clasifican en: eutectoides (W0=

0,73%p.C), hipoeutectoides (0,02-0,73 %p.C) e

hipereutectoides (0,73-2,0%p.C). Se adjunta en

otro archivo las microestructuras de equilibrio que

se obtienen al enfriar distintos aceros desde

austenita hasta la temperatura ambiente.

Consideremos a continuación el caso de

un acero de composición eutectoide. A alta

temperatura, en la región γ, sólo habrá granos de

esa fase con Wγ = W0= WE = 0,73%p.C. En la

práctica industrial tendremos usualmente un

policristal (varios granos y sus respectivos bordes

de grano). Al llegar a TE = 723ºC, y extraer calor,

la austenita se transformará eutectoidemente en

las dos fase de equilibrio de baja temperatura, α +

Fe3C. Estas dos fases aparecerán a TE = 723ºC

bajo la morfología perlítica. En cada grano de

austenita, nuclearán y crecerán varias colonias de

perlita. La nucleación de la perlita se iniciará

preferentemente en los bordes de grano; ello pues

las nuevas fases siempre tienden a aparecer en los

lugares donde haya defectos, y los bordes de

grano lo son.

Consideremos ahora una aleación

hipereutectoide, p.e.: W0= 1%p.C. A alta

temperatura, en la región γ, sólo habrá granos de

esa fase con Wγ = W0= 1%p.C. Al extraer calor y

entrar al campo bifásico γ+Fe3C, comenzará a

aparecer la fase Fe3C primaria o proeutectoide.

Esta fase primaria aparecerá preferentemente en

los bordes de grano. Al llegar a la temperatura

TE+ε, habrá cementita primaria en los bordes de

grano y, dentro de los granos, austenita de

composición eutectoide, con Wγ = WE =

0,73%p.C. Al extraer calor, a T= TE se producirá

la transformación eutectoide. Por ella, la austenita

eutectoide (Wγ= WE= 0,73%p.C) se transformará

en las fases de equilibrio α+Fe3 C, bajo forma de

perlita (morfología laminar); la perlita nucleará

preferentemente a partir de las interfases

(superficies límites) cementita primaria/austenita.

La cementita primaria no experimentará ninguna

transformación al pasar por TE, y seguirá en los

bordes de grano.

El análisis estructural de una aleación

hipoeutectoide, es similar al de una

hipereutectoide, salvo porque en la aleación

hipoeutectoides la fase primaria será ferrita en los

bordes de grano de la austenita. Al llegar a la

temperatura TE+ε, habrá ferrita primaria en los

bordes de grano y austenita γ de composición

eutéctoide al interior de los granos. Al extraer

calor, a T= TE se producirá la transformación

eutectoide de la austenita.

En los ejemplos de las aleaciones

eutectoides, hipoeutectoides e hipereutectoides

anteriores, debe tenerse claro que las perlitas que

aparecen en ellos son indistinguibles entre sí.

(Salvo por la fase proeutéctoide que

eventualmente acompaña a la perlita).

Nótese que en los aceros con estructura

de equilibrio, mientras mayor sea el contenido de

Carbono de la aleación, mayor será la fracción de

cementita y menor la de ferrita. Las propiedades

mecánicas de estos aceros a bajas temperaturas

dependen de la cantidad relativa de la fase dura

(cementita) y de la fase blanda (ferrita), así como

de la distribución geométrica de estas fases. Si,

para simplificar este primer análisis, suponemos

que la morfología y la distribución de las fases es

la misma, entonces, sobre la base de lo expuesto

se concluye: bajo condiciones de equilibrio,

mientras mayor sea el contenido de C de la

aleación, mayor será la dureza y menor la

ductilidad de la aleación. De modo que la cantidad

de C del acero, dentro de lo disponible en el

mercado, se seleccionará dependiendo de la

aplicación que se le dé al acero en cada caso.

Ya se mencionó que un acero con muy

poco carbono, p.e. 0,1%p.C, cuando es sometido a

temple no endurece, esto porque no se obtiene

martensita. Es importante notar que las aleaciones

metálicas no endurecen simplemente porque se les

enfría rápido. El endurecimiento se produce si es

que el temple (enfriamiento rápido) produce

efectivamente martensita; es decir, el material

endurece si es que se logra el llamado temple

martensítico. Por otro lado, si tenemos Cu(CCC) y

lo templamos (enfriamiento rápido), este material

no endurece; ello se debe a que al estado sólido el

...