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- Certified Welding Inspector – 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%). En presencia de carbono se conoce como ferrita.

Fe-α

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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 no-magnético. En presencia de carbono se conoce como austenita.

Fe-γ

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. En presencia de carbono se conoce como ferrita delta.

Fe-δ

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ALEACIONES HIERRO-CARBONO El hierro puro apenas tiene aplicaciones industriales, pero formando aleaciones con el carbono (además de otros elementos), es el metal más utilizado en la industria moderna. A la temperatura ambiente, salvo una pequeña parte disuelta en la ferrita, todo el carbono que contienen las aleaciones Fe-C está en forma de carburo de hierro (Fe3C). Por eso, las aleaciones Fe-C se denominan también aleaciones hierro-carburo de hierro. Las aleaciones con contenido de C comprendido entre 0.03% y 1.76% tienen características muy bien definidas y se denominan aceros. Los aceros de cualquier proporción de carbono dentro de los límites citados pueden alearse con otros elementos, formando los denominados aceros aleados o aceros especiales. Algunos aceros aleados pueden contener excepcionalmente hasta el 2.5% de C. Los aceros generalmente son forjables, y es ésta una cualidad muy importante que los distingue. Si la proporción de C es superior a 1.76% las aleaciones de Fe-C se denominan fundiciones, siendo la máxima proporción de C aleado del 6.67%, que corresponde a la Cementita pura. Las fundiciones, en general, no son forjables.

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FERRITA Aunque la ferrita es en realidad una solución sólida de carbono en hierro alfa, su solubilidad a la temperatura ambiente es tan pequeña que no llega a disolver ni un 0.008% de C. Es por esto que prácticamente se considera la ferrita como hierro alfa puro. La ferrita es el más blando y dúctil constituyente de los aceros. Cristaliza en una estructura BCC. Tiene una dureza de 95 Vickers, y una resistencia a la rotura de 28 Kg/mm2 (275 MPa – 40,000 psi), llegando a un alargamiento del 35 al 40%. Además de todas estas características, presenta propiedades magnéticas. En los aceros aleados, la ferrita suele contener Ni, Mn, Cu, Si, Al en disolución sólida sustitucional. Al microscopio aparece como granos monofásicos, con límites de grano más irregulares que la austenita. El motivo de esto es que la ferrita se ha formado en una transformación en estado sólido, mientras que la austenita, procede de la solidificación.

CEMENTITA Es carburo de hierro y por tanto su composición es de 6.67% de C y 93.33% de Fe en peso. Es el constituyente más duro y frágil de los aceros, alcanzando una dureza de 960 Vickers. Cristaliza formando un paralelepípedo ortorrómbico de gran tamaño. Es magnética hasta los 210ºC, temperatura a partir de la cual pierde sus propiedades magnéticas.

AUSTENITA Este es el constituyente más denso de los aceros, y está formado por la solución sólida, por inserción, de carbono en hierro gamma. La proporción de C disuelto varía desde el 0 al 1.76%, correspondiendo este último porcentaje de máxima solubilidad a la temperatura de 1130 ºC. La austenita en los aceros al carbono, es decir, si ningún otro elemento aleado, empieza a formarse a la temperatura de 723ºC. También puede obtenerse una estructura austenítica en los aceros a temperatura ambiente, enfriando muy rápidamente una probeta de acero de alto contenido de C a partir de una temperatura por encima de la crítica, pero este tipo de austenita no es estable, y con el tiempo se transforma en ferrita y perlita o bien cementita y perlita. Excepcionalmente, hay algunos aceros al cromo-níquel denominados austeníticos, cuya estructura es austenítica a la temperatura ambiente. La austenita está formada por cristales cúbicos de hierro gamma (FCC) con los átomos de carbono intercalados en las aristas y en el centro.

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La austenita tiene una dureza de 305 Vickers, una resistencia de 100 Kg/mm2 (980 MPa – 140,000 psi) y un alargamiento de un 30 %. No presenta propiedades magnéticas.

PERLITA Es un constituyente compuesto por el 86.5% de ferrita y el 13.5% de cementita, es decir, hay 6.4 partes de ferrita y 1 de cementita. La perlita tiene una dureza de aproximadamente 200 Vickers, con una resistencia a la rotura de 80 Kg/mm mm2 (780 MPa – 110,000 psi) y un alargamiento del 15%. Cada grano de perlita está formado por láminas o placas alternadas de cementita y ferrita.

Esta estructura laminar se observa en la perlita formada por enfriamiento muy lento. Si el enfriamiento es muy brusco, la estructura es más borrosa y se denomina perlita sorbítica. Si la perlita laminar se calienta durante algún tiempo a una temperatura inferior a la crítica (723 ºC), la Cementita adopta la forma de glóbulos incrustados en la masa de ferrita, recibiendo entonces la denominación de perlita globular.

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MARTENSITA Bajo velocidades de enfriamiento bajas o moderadas, los átomos de C pueden difundirse hacía afuera de la estructura austenítica. De este modo, los átomos de Fe se mueven ligeramente para convertir su estructura en una tipo BCC. Esta transformación gamma-alfa tiene lugar mediante un proceso de nucleación y crecimiento dependiente del tiempo (si aumentamos la velocidad de enfriamiento no habrá tiempo suficiente para que el carbono se difunda en la solución y, aunque tiene lugar algún movimiento local de los átomos de Fe, la estructura resultante no podrá llagar a ser BCC, ya que el carbono está “atrapado” en la solución). La estructura resultante denominada martensita, es una solución sólida sobresaturada de carbono atrapado en una estructura tetragonal centrada en el cuerpo. Esta estructura reticular altamente distorsionada es la principal razón para la alta dureza de la martensita, ya que como los átomos en la martensita están empaquetados con una densidad menor que en la austenita, entonces durante la transformación (que nos lleva a la martensita) ocurre una expansión que produce altos esfuerzos localizados que dan como resultado la deformación plástica de la matriz. Después de la cementita es el constituyente más duro de los aceros. La martensita se presenta en forma de agujas y cristaliza en la red tetragonal. La proporción de carbono en la martensita no es constante, sino que varía hasta un máximo de 0.89% aumentando su dureza, resistencia mecánica y fragilidad con el contenido de carbono. Su dureza está en torno a 540 Vickers, y su resistencia mecánica varía de 175 a 250 Kg/mm2 (1700 a 2450 MPa – 250,000 a 356,000 psi) y su alargamiento es del orden del 2.5 al 0.5%. Además es magnética.

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Tratamientos Térmicos Se utilizan varios tipos de tratamientos térmicos para cambiar las propiedades o condiciones del acero: ‘ ‘ ‘ ‘ ‘ ‘ ‘

Mejora en la tenacidad Incremento de la dureza Incremento de la ductilidad Mejora en la maquinabilidad Refinamiento de la estructura de grano Disminución de los esfuerzos residuales Mejora en la resistencia al desgaste

Las siguientes razones son generales del porque de un tratamiento térmico: ‘

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Endurecimiento: Los aceros pueden ser tratados térmicamente para obtener altos niveles de dureza y resistencia. Las razones de hacer esto son obvias. Los componentes estructurales sujetos a elevadas solicitaciones de esfuerzos necesitan de una alta resistencia. Semejantemente, las herramientas tales como dados, cuchillos, dispositivos que cortan, y dispositivos de conformados necesitan una estructura endurecida para resistir al desgaste y la deformación. Revenido: Los aceros templados, es decir endurecidos, son tan frágiles que ante un leve impacto se pueden fracturar. El revenido es un tratamiento térmico que reduce la fragilidad de un acero sin disminuir en forma significativa su dureza y resistencia. Todos los aceros endurecidos deben ser revenidos antes de su uso. Ablandamiento de un estructura: El endurecimiento es reversible, si una herramienta endurecida necesita ser nuevamente maquinada, debe necesariamente ablandarse por tratamiento térmico de modo de que pueda ser mecanizable. La mayoría de los aceros se sueldan mejor en estado blando que endurecido, por ello el ablandamiento puede ayudar a la soldabilidad Recristalización: Si un metal es deformado en frío, los granos o cristales se deforman, se alargan, de esta forma endurecen y aumentan la resistencia del material. Existe una cantidad límite de deformación en frío que puede estar sujeto. En la laminación en frío para fabricar acero de chapa fina, al reducir el área transversal se hace tan duro el acero que necesita de un tratamiento térmico para transformar los granos deformados a granos no deformados, esto es llamado recristalización. Alivio de tensiones: Una de las razones más frecuentes para tratamiento térmico es disminuir los esfuerzos residuales de un material que son generados a deformación en frío o soldadura. Este tratamiento térmico es usado para retirar las deformaciones internas sin disminuir significativamente la resistencia. Es usado cuando se necesita un control dimensional sobre un conjunto soldado, forjado, fundiciones. Difusión de elementos de aleación: Uno de los criterios para el endurecimiento de un acero es que posea suficiente contenido de carbono. Los aceros bajo carbono pueden ser endurecidos, al menos a escala superficial mediante tratamiento térmico a elevada temperatura en una atmósfera que contiene un elemento de aleación que difundirá dentro del acero permitiendo el endurecimiento superficial.

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La siguiente figura muestra en forma general los principales tipos de tratamiento térmico.

NORMALIZADO

RECOCIDO

ENDURECIMIENTO & REVENIDO

ENDURECIMIENTO SUPERFICIAL

RECOCIDO

TEMPLE CONVENCIONAL Y REVENIDO

CARBURIZACION CIANURIZACION NITRURACION CARBONITRURACION

RECOCIDO DE ALIVIO TENSIONES

AUSTEMPERING

ENDURECIMIENTO POR LLAMA

ESFEROIDIZACION

MARTENPERING

ENDURECIMIENTO POR INDUCCION

ENDURECIMIENTO POR HAZ DE ELECTRONES

ENDURECIMIENTO POR HAZ DE LASER

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Recocido (Annealing) El recocido completo es realizado por calentamiento de un acero hipoeutectoide (C < 0.8%) a una temperatura por sobre la superior crítica. En la práctica, el acero es calentado a unos 40 C sobre la temperatura superior crítica, luego es mantenido un tiempo razonable y enfriado muy lentamente a temperatura ambiente. La formación de la austenita destruye toda estructura existente antes del calentamiento. El enfriamiento lento permite que se formen las fases originales de ferrita y perlita.

Los beneficios del recocido son: ‘ ‘ ‘ ‘

Mejora la ductilidad Remueve los esfuerzos residuales Mejora la maquinabilidad Refina el grano

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Normalizado (Normalizing) El normalizado en los aceros es llevado a cabo por calentamiento a una temperatura aproximadamente 40 C sobre la superior crítica seguido de un mantenimiento y posterior enfriamiento en aire quieto. La diferencia con el recocido es que la velocidad es mayor en el normalizado por ende la dureza e y resistencia son mayores al compararla con el tratamiento de recocido.

Los beneficios del recocido son: ‘ ‘ ‘ ‘

Producir un acero mas dura y resistente que en el caso del recocido Mejorar la maquinabilidad Modificar y refinar la estructura del grano Obtener una relativamente buena ductilidad sin reducir la dureza y resistencia

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Las siguientes figura muestran el efecto del recocido y normalizado sobre la ductilidad, resistencia mecánica, dureza y esfuerzo fluencia del acero.

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Endurecimiento y Revenido (Hardening and Tempering) Los aceros pueden ser tratados térmicamente a una elevada dureza y resistencia, la razón para realizar esto es que existen componentes estructurales que requieren una estructura dura y con altos niveles de resistencia. Los aceros templados (quenched) son demasiados frágiles en esa condición, por ello son sometidos a un tratamiento posterior llamado revenido (Tempering), el cual reduce su fragilidad sin una pérdida considerable de dureza y resistencia, el tratamiento de temple es el que produce la conocida martensita.

Proceso de Temple y Revenido: En este proceso, la austenita es transformada a martensita producto de un rápido enfriamiento desde alta temperatura a temperatura ambiente. Luego esta martensita es calentada a una temperatura en la cual le entrega la dureza deseada. Uno de los serios problemas es la posibilidad de distorsión y agrietamiento producto de un temple muy severo. La figura siguiente muestra un proceso de endurecimiento convencional.

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