DIAGRAMA HIERRO CARBONO

DIAGRAMA HIERRO CARBONO

En el diagrama de equilibro, 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.

Dicho diagrama se obtiene experimentalmente identificando los puntos críticos —temperaturas a las que se producen las sucesivas transformaciones— por métodos diversos.

]Microconstituyentes

El hierro puro presenta tres estados alotrópicos a medida que se incrementa la temperatura desde la ambiente:

 Hasta los 911 °C, el hierro ordinario, cristaliza en el sistema cúbico centrado en el cuerpo (BCC) y recibe la denominación de hierro α o ferrita. Es un material dúctil y maleable responsable de la buena forjabilidad de las aleaciones con bajo contenido en carbono y es ferromagnético hasta los 768 °C (temperatura de Curie a la que pierde dicha cualidad). La ferrita puede disolver muy pequeñas cantidades de carbono.

 Entre 911 y 1400 °C cristaliza en el sistema cúbico centrado en las caras (FCC) y recibe la denominación de hierro γ o austenita. Dada su mayor compacidad la austenita se deforma con mayor facilidad y es paramagnética.

 Entre 1400 y 1538 °C cristaliza de nuevo en el sistema cúbico centrado en el cuerpo y recibe la denominación de hierro δ que es en esencia el mismo hierro alfa pero con parámetro de red mayor por efecto de la temperatura.

A mayor temperatura el hierro se encuentra en estado líquido.

Si se añade carbono al hierro, sus átomos podrían situarse simplemente en los intersticios de la red cristalina de éste último; sin embargo en los aceros aparece combinado formando carburo de hierro (Fe3C), es decir, un compuesto químico definido y que recibe la denominación de cementita de modo que los aceros al carbono están constituidos realmente por ferrita y cementita.

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 (metalestable); 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).

La 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. En la figura # 01 muestra la porción de interés del sistema de aleación hierro - carbono. Esta la parte entre hierro puro y un compuesto intersticial, carburo de hierro,

, 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).

Las reacciones eutéticas y eutectoides difieren entre sí, en más de un aspecto importante. Las reacciones eutéticas implican el paso de una fase líquida a dos fases sólidas mientras que las reacciones eutectoides se efectúa totalmente dentro del estado sólido. La siguiente es una expresión general de la reacción eutectoide:

ððððγðcalor

en donde ð, ð y γ son fases sólidas y, a menudo, soluciones sólidas.

La reacción eutectoide más importante es la que se produce en los aceros. Es necesario contar con la comprensión definida de las reacciones eutéticas y las eutectoides, para poder entender lo referente a los aceros al carbono y para estar capacitados para interpretar debidamente el diagrama del hierro carburo de hierro que es, probablemente, el más importante de todos los diagramas de equilibrio de los metales.

La figura # 01 se ilustra con un diagrama simplificado del hierro carburo de hierro. Como indica el nombre de este diagrama, se considera que los componentes son hierro y carburo de hierro, sin embargo es más conveniente representar la composición en relación con el porcentaje de carbono, más que por el carburo de hierro (Fe3C).

Si el diagrama hierro carburo de hierro se divide en dos partes, una superior a 1700 ºF (927 ºC) y la otra inferior a esta misma temperatura, es evidente que la primera se relaciona con una reacción eutética, y la segunda, con una reacción eutectoide.

Las fases y sus constituyentes que se encuentra en el diagrama del hierro carburo de hierro, se indican en las áreas correspondientes de la Figura #01. Las fases que pueden encontrarse en condiciones de equilibrio son las líquidas, hierro ð, hierro γ y cementita (otra fase, hierro δ, no se considera en el diagrama simplificado de la figura # 01). La fase líquida puede consistir en cualquier combinación de hierro y carburo, dentro de los límites de composición del diagrama. La cementita o carburo de hierro (Fe3C), es un compuesto químico de hierro y carbono que tiene 6.7 por ciento de este último elemento.

Es uno de los componentes del sistema y, como tal, limita la cantidad de carbono que puede estar presente (100 por ciento de cementita equivale a 6.7 por ciento de carbono). La cementita es una fase extremadamente dura y frágil de una estructura cristalina compleja; no disuelve cualquier cantidad mensurable de carbono. El otro componente del diagrama, el hiero, existe e dos alótropos sólidos o formas definidas de cristal.

El hierro alfa, que es el alótropo a la temperatura ambiente, tiene una estructura cúbica centrada en el cuerpo, que se conoce también con el nombre de ferrita y constituye una fase suave y dúctil. El hierro gamma, o austenita tiene una estructura cúbica centrada en las caras y a veces se considera que es menos dúctil y ligeramente más dura que la ferrita, aunque, en realidad, no puede efectuarse una comparación verdadera.

El hierro gama existe a temperaturas superiores a las que se encuentra el hierro alfa. Ambos tipos de hierro disuelven al carbono y los símbolos ð y γ se usan para representar, tanto al hierro puro, como a las soluciones sólidas de carbono en el hierro. Es conveniente hacer notar que, aunque el hierro gamma contiene hasta 2.0 por ciento de carbono, el hierro alfa puede disolver sólo 0.03 por ciento de carbono.

Las fases mencionadas arriba son también constituyentes. Además de éstos, existen otros dos constituyentes, la ledeburita y la perlita. La primera es el nombre que se da a la composición eutética sólida; se presenta únicamente en el hierro colado y, después de la transformación que se lleva a cabo al enfriarse a la temperatura ambiente, adquiere el aspecto moteado que se ilustra en la figura # 02(b). La lebedurita transformada consiste en colonias de perlita en una red continua (llamada matriz) de cementita.

La perlita es un constituyente muy importante que se encuentra tanto en el acero como en el hierro colado.. La perlita tiene valores de dureza y ductilidad intermedios a los de la ferrita y la cementita.

Enfriamiento lento de las aleaciones de hierro y carbono. Estudie el siguiente enfriamiento lento de varias aleaciones distintas de hierro y carbono, en las que existe una correlación entre las propiedades y la microestructura.

Cuando un acero contiene 0.3 por ciento de carbono, se enfría desde una temperatura superior a 2800 ºF (1540 ºC), la solidificación comienza a unos 2775 ºF (1524 ºC), con la formación de una solución sólida que contiene casi 0.10 por ciento de carbono. Al reducirse más todavía la temperatura, se forma una mayor cantidad de sólidos y va quedando menos líquido, hasta finalmente se solidifica del todo. La austenita sólida tiene la misma composición del líquido del que se formó, y contiene 0.3 por ciento de carbono. A 1550 ºF (843 ºC), se producen cristales homogeneos equiaxiales de austenita, como se demuestra en la figura #03 (b) (4). A unos 1500 ºF (816 ºC), una nueva fase, la ferrita, comienza a precipitarse de los granos de austenita. A formación de núcleos de la nueva fase aparece principalmente en los límites de los antiguis granos de austenita (Este es un modo común de comportamiento. Bajo condiciones de equilibrio, generalmente se forman nuevas fases en el límite de los granos de aquellas que están presentes.

En este ejemplo a la nueva fase se le llama proeutectoide por que ésta sobre enfriamiento, a prior de la formación de la estructura eutectoide. En aceros hipoeutectoides, la ferrita es proeutectoide; en

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