Diagrama de Fases Fe - carbono
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Diagrama de fase
En termodinámica y ciencia de materiales se denomina diagrama de fase a la
representación gráfica de las fronteras entre diferentes estados de la materia de un
sistema, en función de variables elegidas para facilitar el estudio del mismo.
Cuando en una de estas representaciones todas las fases corresponden a estados de
agregación diferentes se suele denominar diagrama de cambio de estado.
En ciencia de materiales se utilizan ampliamente los diagramas de fase
binarios, mientras que en termodinámica se emplean sobre todo los diagramas de
fase de una sustancia pura.
Mezcla Mecánica
Una mezcla es la combinación de dos o más sustancias en proporciones
variables, donde los componentes de la mezcla, no reaccionan químicamente entre
sí”. Las propiedades de la mezcla mecánica no se alteran; presentan
heterogeneidad a simple vista y en el microscopio; no se disuelven uniformemente
las sustancias entre sí; el efecto calorífico es nulo o muy pequeño. Las mezclas de
un diagrama de fase son las siguientes:
Perlita
Se denomina perlita a la microestructura formada por capas o láminas alternas
de las dos fases (α y cementita) durante el enfriamiento lento de un acero a
temperatura eutectoide. Se le da este nombre porque tiene la apariencia de una
perla al observarse microscópicamente a pocos aumentos. La perlita aparece en
granos denominados "colonias"; dentro de cada colonia las capas están orientadas
esencialmente en la misma dirección y esta dirección varía de una colonia a otra.
Las capas delgadas claras son de ferrita, y la cementita aparece como capas
delgadas más oscuras. La mayoría de las capas de cementita son tan delgadas que
los límites de fases adyacentes no se distinguen.
Enfriando la austenita con una concentración intermedia de carbono, se
transforma en fase ferrita, con un contenido de carbono inferior, y en cementita,
con un porcentaje muy superior de carbono. Los átomos de carbono necesitan
difundir para segregar selectivamente. Los átomos de carbono difunden de la
región ferrítica a las capas de cementita para conseguir la concentración del 6,70%
en peso de C y la perlita se propaga, a partir de los límites de grano al interior de
los granos austeníticos. La perlita forma láminas porque los átomos de carbono
necesitan difundir la distancia mínima dentro de su estructura.
La razón de este comportamiento radica en los fenómenos que ocurren en los
límites de fases (α y cementita). En primer lugar, hay un alto grado de adherencia
entre las dos fases en el límite. Por lo tanto, la resistencia y la rigidez de la fase
cementita restringe la deformación de la fase ferrita, más blanda, en las regiones
adyacentes al límite; es decir, la cementita refuerza a la ferrita. Este grado de
reforzamiento es más elevado en la perlita fina porque es mayor la superficie de
límites de fases por unidad de volumen del material. Además, los límites de fases
sirven de barrera para el movimiento de dislocaciones, del mismo modo que los
límites de grano.
Ledeburita
Ledeburita es una mezcla eutéctica que contiene un 95,7% de hierro y un 4,3%
de carbono, por lo tanto no es constituyente de los aceros sino de las fundiciones.
La lebeburita se llama así en homenaje a Adolf Lebedur (1836-1916). Es el
constituyente eutéctico que se forma al enfriar la fundición líquida de 4.3% C
desde 1145 °C. Está formada por 48% de cementita y 52% de austenita de 2% C.
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 pueden conocer la zonas donde existió la ledeburita por el
aspecto eutéctico con que quedan las agrupaciones de perlita y cementita.
A veces, a éstas zonas donde existió la Ledeburita se la llama Ledeburita
Transformada.
Bainita
La bainita es una mezcla de fases de ferrita y cementita y en su formación
intervienen procesos de difusión. La bainita forma agujas o placas, dependiendo
de la temperatura de transformación. Los detalles microestructurales de la bainita
son tan finos que su resolución sólo es posible mediante el microscopio
electrónico. Está compuesta de una matriz ferrítica y de partículas alargadas de
cementita. La fase que rodea las agujas es martensita, a menos que se haga un
tratamiento isotermico hasta transformar toda la austenita en bainita.
La transformación bainítica también depende del tiempo y de la temperatura y
se puede representar en un diagrama de transformación isotérmica , a
temperaturas inferiores a las de formación de la perlita. En los tratamientos
isotérmicos realizados entre 540º-727 °C, se forma perlita y entre 215-540 °C, el
producto de transición es la bainita. Las transformaciones perlítica y bainítica
compiten entre sí y sólo una parte de una aleación se puede transformar en perlita
o en bainitia. La transformación en otro microconstituyente sólo es posible
volviendo a calentar hasta formar austenita.
Sin embargo, a diferencia de la perlita, la ferrita y la cementita no están
presentes en formas que dependen de la aleación y la temperatura de
transformación. La microestructura depende de la temperatura y se distinguen dos
morfologías: Bainita superior : Se forma en rangos de temperatura
inmediatamenta inferiores a los de perlita. Se compone de agujas o bastones de
ferrita con cementita entre ellas.
Bainita inferior: Se forma a temperatura del orden de la martensita Ms
(ligeramente superiores). Se produce preferentemente en transformaciones
isotérmicas (austempering), aunque también puede hacerlo a enfriamiento
continuo y corresponde a una transformación intermedia entre la que corresponde
a perlita y a martensita.
Martensita
Martensita es el nombre que recibe la fase cristalina BCT, en aleaciones
ferrosas. Dicha fase se genera a partir de una transformación de fases sin difusión,
a una velocidad que es muy cercana a la velocidad del sonido en el material. Por
extensión se denominan martensitas todas las fases que se producen a raíz de una
transformación sin difusión materiales metálicos.
Compuestos Intermetalicos
Se llama compuesto intermetálico a todo sistema aleado que se presentir como
una fase liquida o sólida. Estas fases se suelen llamar también compuestos
intermetálicos, Al resultado de la íntima interacción íntima hasta la dimensión
atómica de un metal y otro u otros elementos, metales o no, se le llama a. Se
entiende por sistema aleado todas las a. que pueden obtenerse con una
determinada serie de componentes, siendo éstos, precisamente, los elementos que
lo constituyen. Un sistema aleado puede ser sólido o líquido, dependiendo de su
composición y de la temperatura a que se considere.
Ferrita
La ferrita (o hierro alfa) es, en metalurgia una de las estructuras moleculares
del hierro. Cristaliza en el sistema cúbico centrado en el cuerpo (BCC) y tiene
propiedades magnéticas. Se emplea en la fabricación de: imanes permanentes
aleados con cobalto y bario; en núcleos de inductancias y transformadores con
níquel, cinc o manganeso, ya que en ellos quedan eliminadas prácticamente las
Corrientes de Foucault. Las ferritas son materiales cerámicos ferromagnéticos
(sólo la alfa), compuestos por hierro, boro y bario, estroncio o molibdeno.
Austenita
La austenita es una forma de ordenamiento distinta de los átomos de hierro y
carbono. Ésta es la forma estable del hierro puro a temperaturas que oscilan entre
los 900 a 1400 ºC. Está formado por una disolución sólida del carbono de hierro,
lo que supone un porcentaje máximo de C del 2%. Es dúctil, blanda y tenaz. Es la
forma cúbica centrada en las caras (FCC) del hierro. También se le conoce como
austerita. Admite el temple, pero no es magnético.
La estructura cristalina de la austenita es del tipo cúbica, de caras centradas, en
donde se diluyen en solución sólida los átomos de carbono en los intersticios,
hasta un máximo tal como lo muestra el diagrama de fase Fe-C. Esta estructura
permite una mejor difusión con el carbono, acelerando así el proceso de
carburación del acero. La solubilidad máxima es sólo del 1.67%. Hay que recordar
que por definición los aceros contienen menos de 1.67% de carbono y pueden
tener disuelto el carbono completamente a altas temperaturas.
La austenita no es estable a temperatura ambiente excepto en aceros
fuertemente aleados como algunos inoxidables. La austenita es blanda y dúctil y,
en general, la mayoría de las operaciones de forja y laminado de aceros se efectúa
a aproximadamente los 1100 ºC, cuando la fase austenítica es estable.
Cementita
La cementita o carburo de hierro se produce por efecto del exceso de carbono
sobre el límite de solubilidad. Si bien la composición química de la cementita es
Fe3C, la estructura cristalina es del tipo ortorrómbica con 12 átomos de hierro y 4
átomos de carbono por celda. La cementita es muy dura y frágil y, por lo tanto, no
es posible de utilizar para operaciones de laminado o forja debido a su dificultad
para ajustarse a las concentraciones de esfuerzos.
Fundiciones
Las fundiciones son aleaciones hierro-carbono donde el contenido de carbono
varía entre 2,14% y 6,67% (aunque estos porcentajes no son completamente
rígidos). Comúnmente las más usadas están entre los valores de 2,5% y 4,5%, ya
que las de mayor contenido de carbono carecen de valor práctico en la industria.
Además de hierro y carbono lleva otros elementos de aleación como silicio,
manganeso, fósforo, azufre y oxígeno.
Seguirán el diagrama de equilibrio estable (Fe-C) o metaestable dependiendo
de distintos factores, principalmente de si se produce o no la grafitización.
Obtienen su forma definitiva por colada, permitiendo la fabricación con relativa
facilidad de piezas de grandes dimensiones y pequeñas complicadas. Son más
baratas que los aceros y de fabricación más sencilla por emplearse instalaciones
menos costosas y realizarse la fusión a temperaturas más bajas (además son
fáciles de mecanizar). Actualmente, se fabrican fundiciones con excelentes
propiedades mecánicas, haciéndole la competencia a los aceros tradicionales.
RESUMEN DE DIAGRAMA DE HIERRO CARBONO
Las fases y sus constituyentes que se encuentra en el diagrama del hierro
carburo de hierro, se indican en las áreas correspondientes de la. 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.
La fase líquida puede consistir en cualquier combinación de hierro y carburo,
dentro de los límites de composición del diagrama.
DIAGRAMA DE HIERRO CARBONO
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.