Diagramas De Fase Hierro-Carbono

Introducción.

En el presente breve informe se pretende identificar las diferentes fases del hierro en el diagrama de fase hierro - carbono de esta manera se pueden describir sus propiedades, analizar su micro estructura y nombrar aleaciones comerciales.

También se menciona la clasificación del acero y las fundiciones, de las cuales se describen sus propiedades y sus utilidades en el campo de la industria.

Fases Del Diagrama Hierro Carbono

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).

2. Fase Ferrítica

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.

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.

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.

La cementita posee las siguientes propiedades:

• Alta dureza.

• Muy frágil.

• Alta resistencia al desgaste.

4. 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.

Aceros

Acero es la denominación que comúnmente se le da, en ingeniería metalúrgica, a una aleación de hierro con una cantidad de carbono variable entre el 0,08% y el 1,76% en peso de su composición, dependiendo del grado.

No se debe confundir el acero con el hierro, que es un metal relativamente duro y tenaz, con temperatura de fusión de 1.535 °C y punto de ebullición 2.740 °C.

El acero conserva las características metálicas del hierro en estado puro, pero la adición de carbono y de otros elementos tanto metálicos como no metálicos mejora sus propiedades físico-químicas.

Existen muchos tipos de acero en función del o los elementos aleantes que estén presentes. La definición en porcentaje de carbono corresponde a los aceros al carbono, en los cuales este no metal es el único aleante, o hay otros pero en menores concentraciones. [5]

El acero es actualmente la más importante aleación mecánica empleándose de forma intensiva en numerosas aplicaciones como bienes de equipo (máquina-herramienta), construcción, etc.

Acero Eutectoide

Presentan una fase austenítica sólida a un composición de 0.89% C con granos orientados al azar. Al enfriar desde esta fase, se desarrollan las fases ferrita y cementita en láminas, formando una microestructura única llamada “perlita”, como se observa en la Figura 5.9, la cual, en relación con las propiedades mecánicas posee características intermedias de las fases que la componen, entre blanda y dúctil y dura y quebradiza.

La microestructura del acero eutectoide enfriado lentamente a través de la temperatura eutectoide es análoga a la de una aleación de composición eutéctica; es decir, se forman capas o láminas alternas de las dos fases (α y Fe3C) durante la transformación.

Acero Hipoeutectoide

Se denomina acero hipoeutectoide a las aleaciones entre 0,008% y 0,89% de carbono según el diagrama hierro-carbono. El acero hipoeutectoide está formado por una mezcla de ferrita más perlita.

Presentan una fase austenítica sólida a una composición inferior a 0.89% C con granos orientados al azar. Al enfriar comienza a desarrollarse la ferrita y se entra en la región bifásica α + γ donde la ferrita sufre una segregación formándose en los límites de grano de la fase γ. Al sobrepasar en enfriamiento a la línea A1 la austenita se transforma en perlita y se forma el acero.

Los aceros hipoeutectoides pueden ser usados en elementos de máquinas (Elementos de sujeción y transmisión de potencia) y tienen las siguientes características:

• Al carbono y también aleados.

• Son plásticos y poseen buena resistencia mecánica.

• Bajo carbono hasta 0.2 % C, medio carbono 0.2%-0.5% C y alto carbono 0.5 %C.

Los aceros hipoeutectoides se pueden dividir en tres tipos:

• Acero bajo en carbono: El porcentaje de carbono estos aceros no supera el 0,2%, se llaman aceros ferríticos, son muy suaves, dúctiles, deformables y de baja resistencia.

• Acero al carbono medio: A este grupo pertenecen la mayoría del acero comercial que se produce, su porcentaje de carbono está comprendida entre el 0,2% y el 0,5%. Sus propiedades dependen de la cantidad de ferrita y perlita que tienen y varían sus prestaciones en un rango muy amplio.

• Aceros de alto carbono: Estos aceros tienen un porcentaje de carbono comprendido entre el 0,5% y el 0,77%, se denominan aceros perlíticos. Se resistencia y dureza son elevadas pero su ductilidad y tencidad son bajas.

Acero hipereutectoide

Se denomina acero hipereutectoide a aquellos aceros que en su composición y de acuerdo con el diagrama hierro-carbono tienen un porcentaje de carbono entre 0,89% y 1,76%. Su constituyente principal es la cementita (Carburo de hierro (Fe3C)). Es un material duro y de difícil mecanización.

Presentan una fase austenítica a una composición superior a 0.89% C pero inferior a 1.76 %C con granos orientados al azar. Al enfriar comienza a formarse la cementita y se entra en la región bifásica γ+cem donde la cementita comienza a formarse en los límites de grano de la austenita. Al sobrepasar en enfriamiento a la línea A1 la austenita remanente se transforma en perlita y se forma el acero. Al descender por debajo de la temperatura eutéctica, toda la austenita remanente de composición eutectoide se transforma en perlita; de este modo, la microestructura resultante consiste en perlita y cementita proeutectoide como micro constituyentes una forma de típica asi como el diagrama de transformación de observan en la Figura 5.11.

Los aceros hipereuctectoides presentan las siguientes características:

• Generalmente aleados.

• Muy alta resistencia mecánica.

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