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• Romario Deza Mamani

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Departamento de Tecnología.

IES Nuestra Señora de la Almudena

Mª Jesús Saiz

RESUMEN TEMA 3: ALEACIONES Fe-C, PROPIEDADES Y CLASIFICACIÓN 1.- Estados alotrópicos del Hierro (Fe) Según las condiciones de temperatura, el hierro puede presentar diferentes estados, con mayor o menor capacidad para disolver el carbono. Hierro α: cristaliza hasta una temperatura de 768 ºC en la red CCB. No disuelve prácticamente al carbono. Es magnético. Hierro β: cristaliza entre 768 ºC- 910 ºC en la red CCB. No es magnético. Tiene mayor volumen (mayor distancia entre átomos. Hierro γ: cristaliza entre 910 ºC- 1400 ºC en la red CCF. Disuelve más carbono (hasta un 2, 11 %). Es no magnético Hierro δ: cristaliza entre 1400 ºC- 1539 ºC en la red CCB. Es magnético. Muy parecido al hierro α. Poca aplicación

2.- Formas de encontrar el carbono en las aleaciones férreas Combinado: en forma de carburo de hierro (Fe3C = cementita) Disuelto: formando soluciones sólidas de inserción con la austenita (Fe γ) o ferrita (Fe

α) Libre: formando nódulos o láminas de grafito, cuando el porcentaje de carbono es superior al 6,67%

3.- Diagrama Fe-C Los aceros son aleaciones Fe-C, donde el carbono está en proporciones del 0,03 – 2,1 %. Son forjables. Las fundiciones son aleaciones Fe-C, donde el carbono está en proporciones del 2,1 – 6,67%. Son no forjables. El 6,67% C es la máxima proporción de carbono que se puede disolver. Al compuesto con este porcentaje 6,67% C, se le llama cementita. (Fe3C)

Constituyentes de las aleaciones FE-C Ferrita: prácticamente Fe α, tiene muy poca solubilidad ya que apenas disuelve carbono (máxima solubilidad es 0,02 % C). Cristaliza en la red CCB. Es el más blando y dúctil constituyente de los aceros. Es magnético. Se emplea en la fabricación de imanes permanentes, en núcleos de inductancias y transformadores. . Bobinado de ferrita para uso como transformador de corriente eléctrica C

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Cementita: Fe3C, tiene un 6;67% de carbono. La estructura cristalina es muy compleja, es del tipo ortorrómbica con 12 átomos de hierro y 4 átomos de carbono por celda. Es el más duro y frágil constituyente de los aceros. Es magnético hasta los 210ºC. La cementita se llama primaria cuando se forma desde la fase líquida y secundaria si procede de austenita durante el enfriamiento lento. Y terciaria si se desprende de la ferrita al enfriarse por debajo de 910 ºC. Perlita: α + Fe3C, es la mezcla eutectoide de ferrita y cementita (86,5% de ferrita y 13,5% de cementita). Tiene propiedades intermedias. A 723ºC la solución sólida austenita origina en el enfriamiento dos nuevas fases sólidas (a esto se le llama reacción eutectoide) Austenita γ

Ferrita α + cementita Fe3C 86,5% 13,5% perlita

Austenita: solución sólida de inserción de carbono en Fe γ, con un máximo porcentaje de carbono de 2,11%. Cristaliza en la red CCF Se forma con temperaturas superiores a 723ºC. Es blando, resistente, tenaz, no magnético y muy denso. C

Ledeburita: γ + Fe3C, es la mezcla eutectica de austenita y cementita (52% de austenita y 48% de cementita). Se da con un porcentaje de carbono del 4,3 %. Es un constituyente de las fundiciones. A 1130 ºC la aleación líquida, solidifica formando un sólido con dos fases (reacción eutéctica) Austenita γ + cementita Fe3C 48 % 52%

Líquido

ledeburita Es estable hasta los 723ºC, descomponiéndose a partir de esta temperatura en ferrita y cementita

b

c

Martensita: Se obtiene por enfriamiento rápido de la austenita. A velocidades de enfriamiento bajas o moderadas, los átomos de C pueden difundirse hacia afuera de la estructura austenítica. De este modo, los átomos de Fe se mueven ligeramente y se da una transformación de Fe γ en Fe α. Es una solución sólida sobresaturada de carbono en Fe α. Es el constituyente principal de los aceros templados. Tras la cementita, es el constituyente más duro de los aceros. La martensita se presenta en forma de agujas y cristaliza en la red tetragonal

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a

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Diagrama FE-C Los cambios de estado del hierro y el acero se verifican cuando los cambios de temperatura son lentos, según se representa en el diagrama hierro-carbono. Línea de liquidus

Tª (ºC)1539

L

1500

L+ γ

γ

1300

L+ Fe3C

1130

γ + Fe3C

1100

Ledeburita 910

900

γ + Fe3C

γ+α

α

L = líquido γ = austenita Fe3C = cementita α = ferrita

700

Línea de solidus

723

α + Fe3C Perlita

500

α + Fe3C

300 0,89 1 Hipoeutectoides

2,1

4,3

2

3

5

6

7

%C

Hipereutéctico

Hipoeutéctico

Hipereutectoides

Fundiciones

Aceros

-

4

6,67

En la zona L hay una sola fase, líquida y homogénea. En la zona L+γ hay dos fases, una de líquido y otra sólida austenita. En la zona γ, hay una fase sólida formada por austenita. En la zona α, hay una fase sólida formada por ferrita. En la zona L+Fe3C hay dos fases, una de líquido y otra de sólido cementita. En la zona γ+ Fe3C hay un sólido formado por dos fases austenita y cementita. En la zona α+ Fe3C hay un sólido formado por dos fases ferrita y cementita.

Si dibujamos el diagrama hierro-carbono con todos sus constituyentes, queda de la siguiente forma:

Tª (ºC)

Línea de liquidus

1539

Liquido Fe-C Líquido + austenita

austenita austenita + ferrita´ 910

Líquido + cementita Ledeburita cementita + ledeburita

austenita + ledeburita

Línea de solidus

austenita + cementita

723 ferrita

1130

723 Perlita cementita + perlita

ferrita´+ perlita

cementita + perlita

0,89 Hipoeutectoides

4,3

Hipereutectoides

Aceros

cementita + perlita

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Hipoeutéctico

6,67 Hipereutéctico

Fundiciones

%C

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Dependiendo de la zona la austenita y la cementita pueden ser primarias (proeutécticas) o secundarias (eutécticas) -

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En los aceros hipoeutéctoides (4,3%C)existen varias zonas según vamos bajando la temperatura  Fase líquida  2 fases: Líquido y sólido cementita  2 Fases sólidas ledeburita y cementita primaria  A 723ºC toda la austenita eutéctica se transforma en perlita  2 Fases sólidas de perlita y cementita Para calcular la composición de cada una de las fases se emplea la regla de la horizontal. Y para calcular la cantidad de cada fase se emplea la regla de la palanca.

4.- Propiedades de los aceros Al disminuir el %C: dúctiles, maleables, tenaces, soldables Al aumentar el %C: resistentes, duros, frágiles. Son oxidables y corroibles. Densidad = 7,6 – 7,8 g/cm3

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5.- Clasificación de los aceros En función del porcentaje de C: Aceros hipoeutectoides: del 0,03 – 0,89 %.C Aceros eutectoides: 0,89 %.C Aceros hipereutectoides: del 0,89 – 2,1 %.C En función de su constitución externa: Aceros perlíticos: constituidos después del enfriamiento por perlita y ferrita, o perlita y cementita, dependiendo si el porcentaje de C es mayor o menos del eutectoide. Aceros martensíticos: formados en su mayor parte por martensita. En realidad son aceros perlíticos, cuya velocidad de temple es muy lenta. Aceros austeníticos: constituidos por austerita. Se reconocen porque no son magnéticos. Aceros ferríticos: formados por ferrita. Son aceros de bajo contenido en C. En función de su composición: Aceros al C: aleación de Fe – C y bajo porcentaje de otros elementos (según las normas). Aceros aleados: aleación de Fe – C e impurezas. Además llevan de forma voluntaria otros elementos que modifican sus propiedades.

   

Aceros inoxidables: Cr, Ni.

Acero galvanizado: Zn

Aceros de corte (muy duros): Wf Aceros de alta dureza: Mo, Cr, Co Aceros resistentes a la fatiga: Vanadio

6.- Propiedades de las fundiciones Son aleaciones férricas con un porcentaje de C mayor del 2,11%. No son forjables. Funden a temperatura inferior a los aceros por lo que se moldean con facilidad. No son dúctiles, no maleables, sueldan con dificultad. Menor densidad = 7,2 – 7,68 g/cm3 Tienen tendencia a la formación de grafito (carbono libre formando láminas o nódulos).

7.- Clasificación de las fundiciones En función del porcentaje de C: Fundiciones hipoeutéctica: del 2,11 – 4,3 %.C Fundiciones oeutécticas : 4,3 %.C Fundiciones hipereutéctica del 4,3 – 6,67 %.C En función de su constitución Fundición gris: 2,5 – 4 % C El grafito aparece en forma de escamas o láminas dentro de la ferrita o perlita. Son frágiles y poco resistentes a la tracción, pero resistentes a compresión. Amortiguan muy bien las vibraciones. Alta resistencia al desgaste. Se utiliza en bloque de motores, tambores de freno, cilindros y pistones de motores.

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Fundición esferoidal: Son fundiciones grises adicionando en estado líquido pequeñas cantidades de magnesio y/o cesio. El grafito aparece de forma esferoidal. Son más resistentes y dúctiles que las grises. Tienen propiedades mecánicas similares al acero. Se suele utilizar para la fabricación de válvulas y engranajes de alta resistencia, cigüeñales y pistones Fundición blanca y maleable: Se parte de fundiciones bajas en C y con un porcentaje menor del 1% de Si, se aumenta la velocidad de enfriamiento. Se logra que la mayoría del carbono esté como cementita y no como grafito. Muy dura y muy frágil. Muy resistente al desgaste. Aplicaciones: engranajes, cajas de diferencial.

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