DIAGRAMA FE-C

En el diagrama de equilibrio 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

Micro constituyentes

Hasta los 911 °C (temperatura crítica AC3), el hierro ordinario, cristaliza en el sistema cúbico de cuerpo centrado y recibe la denominación de hierro α o ferrita. Es un material dúctil y maleable responsable de la buena forjabilidad de la aleaciones con bajo contenido en carbono y es ferromagnético hasta los 770 °C (temperatura de Curie a la que pierde dicha cualidad; se suele llamar también AC2). La ferrita puede disolver pequeñas cantidades de carbono.

Entre 911 y 1400 °C cristaliza en el sistema cúbico de caras centradas 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 de cuerpo centrado 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 aumenta su grado de macicez y sus átomos podrían situarse simplemente en los intersecciones de la red cristalina de éste último; sin embargo en los aceros aparece combinado formando carburo de hierro (Fe3C), de acuerdo con lo que dijo el Doctor Cesar Rayas, es decir, un compuesto químico definido y que recibe la denominación de cementita de modo que los aceros aleados al carbono están constituidos realmente por ferrita y cementita.

Transformación De La Austenita Un eutéctico (composición para la cual el punto de fusión es mínimo)

que se denomina ledeburita y contiene un 4,3% de carbono (64,5 % de cementita). La ledeburita aparece entre los constituyentes de la aleación cuando el contenido en carbono supera el 2% (región del diagrama no mostrada) y es la responsable de la mala forjabilidad de la aleación marcando la frontera entre los aceros con menos del 2% de C (forjables) y las fundiciones con porcentajes de carbono superiores (no forjables y fabricadas por moldeo). De este modo se observa que por encima de la temperatura crítica A3

los aceros están constituidos sólo por austenita, una solución sólida de carbono en hierro γ y su microestructura en condiciones de enfriamiento lento dependerá por tanto de las transformaciones que sufra ésta.

Un eutectoide en la zona de los aceros, equivalente al eutéctico pero en el estado sólido, donde la temperatura de transformación de la austenita es mínima. El eutectoide contiene un 0,80 %C (13,5% de cementita) y se denomina perlita. Está constituido por capas alternas de ferrita y cementita, siendo sus propiedades mecánicas intermedias entre las de la ferrita y la cementita.

La existencia del eutectoide permite distinguir dos tipos de aleaciones de acero:

Aceros hipoeutectoides (< 0.80% C). Al enfriarse por debajo de la temperatura crítica A3 comienza a precipitar la ferrita entre los granos de austenita y al alcanzar la temperatura crítica A1 la austenita restante se transforma en perlita. Se obtiene por tanto a temperatura ambiente una estructura de cristales de perlita embebidos en una matriz de ferrita.

Aceros hipereutectoides (> 0.80% C). Al enfriarse por debajo de la temperatura crítica se precipita el carburo de hierro resultando a temperatura ambiente cristales de perlita embebidos en una matriz de cementita.

Pues ya que este es un tratamiento térmico y su temperatura se eleva hasta dicha temperatura.

La martensita es el constituyente típico de los aceros templados y se obtiene de forma casi instantánea al enfriar rápidamente la austenita. Es una solución sobresaturada de carbono en hierro alfa con tendencia, cuanto mayor es el carbono, a la sustitución de la estructura cúbica centrada en el cuerpo por tetragonal centrada en el cuerpo. Tras la cementita (y los carburos de otros metales) es el constituyente más duro de los aceros.

OTROS MICROCONSTITUYENTES

Las texturas básicas descritas (perlíticas) son las obtenidas enfriando lentamente aceros al carbono, sin embargo modificando las condiciones de enfriamiento (base de los tratamientos térmicos) es posible obtener estructuras cristalinas diferentes:

Velocidades intermedias de enfriamiento dan lugar a la bainita, estructura similar a la perlita formada por agujas de ferrita y cementita pero de mayor ductilidad y resistencia que aquélla.

También se puede obtener austenita por enfriamiento rápido de aleaciones con elementos gammágenos (que favorecen la estabilidad del hierro γ) como el níquel y el manganeso, tal es el caso por ejemplo de los aceros inoxidables austeníticos.

Antaño se identificaron también la sorbita y la troostita que han resultado ser en realidad perlitas de muy pequeña distancia interlaminar por lo que dichas denominaciones han caído en desuso.

LAS ALEACIONES FE-C PUEDEN ENCONTRARSE DOCE

CONSTITUYENTES FERRITA CEMENTITA PERLITA AUSTENITA MARTENSITA TROOSTITA SORBITA BAINITA LEDEBURITA STEADITA GRAFITO IMPUREZAS

FERRITA

Aunque la ferrita es en realidad una solución solida de carbono en hierro alfa, su solubilidad a la temperatura ambiente es tan pequeña que no llega a disolver a 0,008% de C.

Por esto, prácticamente, se considera la ferrita como hierro alfa puro. L a máxima solubilidad del carbono en el hierro alfa es de 0,02% a 723.

La ferrita es el mas blando y dúctil constituyentes de los aceros. Cristalización en la red cubica centrada.

Tiene una dureza de 90 Brinell y una resistencia a la rotura de 28 Kg/, llegando hasta un alargamiento del 35 al 40%.

Es magnética.

CEMENTITAEs carburo de hierro, de formula , y contiene por tanto 6,67% de carbono y 93,3% de hierro.

Es el constituyente más duro y frágil de los aceros, alcanzando una dureza de Brinell de 700HB (68 HBC)

Es magnética hasta 210 de temperatura a partir de la cual pierde el magnetismo.

PERLITA

Es un constituyente compuesto por el 86,5% de ferrita y el 13,5% de cementita, o dicho en otra manera existen 6,4 partes de ferrita y 1 de cementita. La perlita tiene una dureza de aproximadamente 200 HB, con una resistencia a la rotura de 80kg/, y un alargamiento del 15%. El nombre de perlita se debe a las irisaciones que adquiere al iluminarla, parecidas a las de las perlas.

AUSTENITAEs el constituyente mas denso de los aceros , y esta formado por la solución solida, por inserción de carbono en hierro gamma.

La austenita esta formada por cristales cúbicos de hierro gamma con los átomos de carbono intercalados en las aristas y en el centro.

La austenita tiene una dureza de unos 300 HB, una resistencia de unos 100 Kg/, y un alargamiento de un 30%.

No es magnética

MARTENSITADespués de la cementita es el constituyente mas duros de los aceros. La martensita es una solución solida sobresaturada de carbono en hierro alfa. Se obtiene por enfriamiento muy rápido de los aceros, una vez elevada su temperatura lo suficiente para conseguir su constitución austenítica.

La proporción de carbono de la martensita no es constante, sino varía hasta un máximo de 0,89%, aumentando su dureza, resistencia mecánica y fragilidad con el contenido de carbono. Su dureza varía de 50 a 68 HRC; su resistencia mecánica es de 175 a 250 Kg/ y su alargamiento de 2,5% a 0,5%.

Es magnética

TROOSTITAAntiguamente se la denomina osmondita. Se produce la troostita por transformación isotérmica de la austenita entre las temperaturas de 500 a 600 . Es decir, enfriando rápidamente a esta temperatura constante hasta que toda la austenita se haya transformado en troostita.

Se produce también la troostita cuando se enfría la austenita

A una velocidad inferior a la crítica de temple. La velocidad de enfriamiento crítica de temple, como veremos más adelante, es la mínima para que toda la austenita transforme en martensita.

Se presenta la troostita en forma de nódulos compuestos de laminillas radiales de cementita sobre la ferrita, parecidas alas de la perlita, pero mas finas.

Su dureza es de unos 500HB; su resistencia 250Kg/ y su alargamiento de 7,5%

SORBITASe produce también por transformación isométrica de la austenita a temperaturas comprendidas entre 600 y 650 .

Es decir enfriando rápidamente la austenita, que deberá estar a temperaturas por encima d la critica superior, hasta una temperatura comprendida entre 600 y 650 , y manteniéndola a esta temperatura constante hasta su total transformación en sorbita.

BAINITA

Se forma en la transformación isométrica de la austenita, entre temperaturas de 250 y 550 . E s decir, enfriando la austenita rápidamente hasta una temperatura comprendida entre 300 y 500 y manteniéndola después a una temperatura constante hasta la transformación total de la austenita en bainita

LEDEBURITALa ledeburita no es un constituyente de los aceros, sino de las fundiciones. Se encuentra en las aleaciones hierro – carbono cuando el porcentaje de carburo hierro aleado es superior al 25%, o sea, con un contenido total de carbono superior al 1,76%. La ledeburita es una eutéctica, palabra que en griego significa fluidez perfecta y se emplea para designar una mezcla de componentes que pasan sin descomposición ni segregación del estado sólido al líquido.

La ledeburita se forma al enfriar la función liquida4,3% de C desde 1.130 , siendo estable hasta 723 descomponiéndose a partir de esta temperatura en ferrita y cementita. La ledeburita contiene el 52% de cementita y el 48% de austenita de 1,76% de carbono. El contenido total de carbono de la ledeburita s de 4,3%.

STEADITAEs un constituyente de la naturaleza eutéctica, que aparece en las fundiciones de más de 0,15% de fósforo.

Como la steadita se compone de un 10% de fósforo aproximadamente, y casi todo el fósforo de la fundición se concentra en este constituyente se puede calcular el porcentaje de steadita que contiene la fundición por se contenido en fosforo.

Así por ejemplo una fundición que contenga 0,15% de fosforo tendrá 15% de steadita.

La steadita es muy dura y frágil. Funde a 960 . En las fundiciones grises ésta compuesta de un eutéctico de ferrita y fosfuro de hierro. Y en las fundiciones blancas y atruchadas, por un eutéctico de ferrita, fosfuro de hierro y cementita

GRAFITOEl grafito es uno de los tres estados alotrópicos en que se encuentra el carbono en estado libre en la naturaleza, siendo los otros dos el diamante y el carbón amorfo.

El grafito es blando, untuoso, de color gris oscuro y de peso específico 2,25. El grafito se presenta en forma esferoidal, en algunas fundiciones especiales.

El grafito baja la dureza, resistencia mecánica, elasticidad y plasticidad de las fundiciones que lo contienen; pero, en cambio, mejora la resistencia al desgaste , a la corrosión y sirve de lubricante en el roce.

IMPUREZASY por fin puede encontrarse también en la masas de los aceros inclusiones formadas por sulfuros de manganeso, óxido de aluminio, silicatos, etc., que proceden de los refractarios de los hornos, de las escorias, o de los procesos de oxidación o desoxidación. En general las inclusiones no metálicas perjudican las propiedades del acero

FORMAS ALOTRÓPICAS DEL HIERRO

El hierro cristaliza en la variedad alfa hasta la temperatura de 768ºC. La red espacial a la que pertenece es la red cúbica centrada en el cuerpo (BCC). La distancia entre átomos es de 2.86 Å. El hierro alfa no disuelve prácticamente en carbono, no llegando al 0.008% a temperatura ambiente, teniendo como punto de máxima solubilidad a T=723ºC (0,02%)Magnético

La variedad beta existe de 768ºC a 910ºC. Cristalográficamente es igual a la alfa, y únicamente la distancia entre átomos es algo mayor: 2.9 Å a 800ºC y 2.905ºC a 900ºC. No Magnético

La variedad gamma se presenta de 910ºC a 1400ºC. Cristaliza en la estructura FCC. El cubo de hierro gamma tiene más volumen que el de hierro alfa. El hierro gamma disuelve fácilmente en carbono, creciendo la solubilidad desde 0.85% a 723ºC hasta 1.76% a 1130ºC para decrecer hasta el 0.12% a 1487ºC. Esta variedad de Fe es magnético.

 La variedad delta se inicia a los 1400ºC, observándose, entonces una reducción en el parámetro hasta 2.93Å, y un retorno a la estructura BCC. Su máxima solubilidad de carbono es 0.007% a 1487ºC. Esta variedad es poco interesante desde el punto de vista industrial. A partir de 1537ºC se inicia la fusión del Fe puro.