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• Anibal Vp

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Diagrama Hierro Carbono (FeC)

Diagrama carburo de hierro (Fe3C)

En el diagrama de fase de Hierro – Carbono se observan las formas alotrópicas del hierro sólido, BCC y FCC, a distintas temperaturas: Hierro alfa (α): Su estructura cristalina es BCC con una distancia interatómica de 2.86 Å. Su temperatura va desde 0º- 910ºC, es relativamente blanda, prácticamente no disuelve en carbono. Hierro gamma (γ): También conocida como Austenita. Se presenta de 723 ºC a 1492 ºC. Cristaliza en la estructura cristalina FCC con mayor volumen que la estructura hierro alfa. Disuelve fácilmente en carbono (más deformable que la ferrita). Sus propiedades mecánicas dependen del contenido de carbono, pero podríamos dar como valores medios representativos: Una dureza de 300HB, una carga de rotura de 900MPa a 1100 MPa y alargamientos comprendidos entre 30 y 60%. Hierro delta (δ): Está localizada desde 1400 ºC y presenta una reducción en la distancia interatómica que la hace retornar a una estructura cristalina BCC. Su máxima solubilidad de carbono es 0.08% a 1492 ºC. No posee una importancia industrial relevante. A partir de 1539 ºC se inicia la fusión del Hierro puro. Tomando como base el diagrama metaestable hierro-carbono, se denominan aceros a las aleaciones binarias con contenidos en carbono menor que 1,76%, mientras que las fundiciones de hierro tienen contenidos en carbono superiores a 1,76% (hasta aproximadamente 6,67%). Este diagrama muestra con claridad el comportamiento fuertemente gammáge no del carbono: la adición de carbono al hierro γ aumenta el dominio térmico de estabilidad de la austenita. Así, por ejemplo, la temperatura de transformación del hierro γ en hierro α aumenta hasta 1492°C para un contenido en carbono del 0.18% (punto peritéctico del diagrama), mientras que la de la transformación de la austenita en ferrita disminuye hasta 723°C para la aleación con 0.89% de carbono. El diagrama metaestable hierro-carbono muestra tres puntos invariantes característicos:  Punto peritéctico(1492°C): Fase líquida(0.4%C) + Fe δ (0.08%C) —>Fe γ (0.18% C)  Punto eutéctico(1130°C): Fase líquida(4.3%C) –>Austenita(1,76%C) + Fe3C (6.67%C)  Punto eutectoide(723°C): Austenita(0.89%C)–> Ferrita (0.025%C) + Fe3C (6.67%C) Las lineas que delimitan las diferentes regiones del diagrama hierro-carbono identifican las situaciones en las que tienen lugar cambios estructurales: Las temperaturas de transformación se denominan temperaturas críticas, existiendo así tres temperaturas de especial interés: A1, A3 Y Acm. Las temperaturas A1 y A3 son las que respectivamente representan el inicio y el final de la transformación de la austenita desde el dominio donde están presentes las fases ferrita y cementita, mientras que se llama temperatura Acm a aquella que separa el dominio de estabilidad de la austenita de la zona bifásica austenita + cementita. Dado que estas transformaciones no ocurren exactamente a la misma temperatura al calentar y al enfriar, se denotan a veces como Ar o Ac para describir la transformación en el enfriamiento o en el calentamiento respectivamente.

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 visto anteriormente comprende de dos sistemas: Fe-Fe3C (metalestable): Este sistema está representado en el segundo diagrama presentado, o sea, las aleaciones con el carbono ligado, sin carbono libre (grafito). Fe-C (estable): Es el primer diagrama se representado; 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). El carbono puede presentarse en tres formas distintas en las aleaciones Fe-C: En solución intersticial. Como carburo de hierro. Como carbono libre o grafito.

Fases del Diagrama Hierro Carbon Austenita

La austenita, también conocida como acero gamma (γ) es una forma de ordenamiento específica de los átomos de hierro y carbono. Esta es la forma estable del hierro puro a temperaturas que oscilan entre los 900 °C a 1400 °C. Está formado por una disolución sólida del carbono en hierro, lo que supone un porcentaje máximo de C del 2,11% (este valor debe tomarse como referencia, ya que el porcentaje real varía en función de otros elementos de aleación presentes en el acero). La austenita es dúctil, blanda y tenaz.Es la forma cúbica centrada en las caras (FCC) del hierro. 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 2,11%. Hay que recordar que por definición los aceros son aquellas aleaciones del diagrama Fe-Fe3C en las que, a la suficiente temperatura, todo el carbono queda disuelto en hierro γ. Por ello el porcentaje máximo de carbono en un acero, para ser considerado como tal es del 2,11%. La austenita no es estable a temperatura ambiente excepto en algunos aceros inoxidables con altos contenidos de manganeso (12%) y aceros inoxidables austeníticos con contenidos en Níquel alrededor del 8%, ya que el níquel tiene el efecto de agrandar la región austenítica en el diagrama de fase de hierro al carbono, lo que la hace estable a temperatura ambiente. 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 °C, cuando la fase austenítica es estable.

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, 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. La ferrita en la naturaleza aparece como elemento proeutectoide que acompaña a la perlita en: Cristales mezclados con los de perlita (0.55% C) Formando una red o malla que limita los granos de perlita (0.55% a 0.85% de C) Formando agujas en dirección de los planos cristalográficos de la austenita.

Cementita

La cementita es un constituyente de los aceros, y otras aleaciones férreas como las fundiciones blancas, que aparece cuando el enfriamiento de la aleación sigue el diagrama metaestable Fe-Fe3C en vez de seguir el diagrama estable hierro-grafito. La cementita tiene un 6,67% en peso de carbono, y es un compuesto intermetálico de inserción. 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. Propiedades físicas La cementita es muy dura, de hecho es el constituyente más duro de los aceros al carbono, con una dureza de 68 HRc. La cementita destaca por ser un constituyente frágil, con alargamiento nulo y muy poca resiliencia. Su temperatura de fusión es de 1227ºC. como la cementita es muy dura y frágil no es posible utilizarla para operaciones de laminado o forja debido a su dificultad para ajustarse a las concentraciones de esfuerzos. Todas las aleaciones Fe-C que solidifican según el diagrama metaestable, entre ellas todos los aceros, tienen como únicas fases ferrita y cementita en estado de recocido. La cementita puede aparecer como micro constituyente, o junto a la ferrita formando un micro constituyente distinto a la ferrita o a la cementita llamado perlita.

Perlita

Microestructura de la 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. Propiedades físicas 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 0,77% 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. Hay dos tipos de perlita: Perlita fina: dura y resistente. Perlita gruesa: menos dura y más dúctil.

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. En la perlita fina y durante la deformación plástica las dislocaciones deben cruzar más límites de fases que en la perlita gruesa. De este modo el mayor reforzamiento y restricción del movimiento de las dislocaciones en la perlita fina se traducen en mayor dureza y resistencia mecánica. La perlita gruesa es más dúctil que la perlita fina a consecuencia de la mayor restricción de la perlita fina a la deformación plástica.

Ledeburita

Ledeburita II.

Fundición dura con cristales de Ledeburita.

Fundición dura con cristales de Ledeburita.

En la producción de fundiciones, la ledeburita surge cuando el contenido de carbono es de entre 2,06% y 6,67%. La mezcla eutéctica de austenita y cementita es 4,3% de carbono, su fórmula empírica es (Fe3C: 2Fe), con un punto de fusión de 1147 °C. (punto eutéctico C) . Su nombre proviene de Adolf Ledebur (1837-1906), metalúrgico alemán que la describió en 1882. Estructura y propiedades La ledeburita no es una fase, sino una mezcla de fases: austenita y cementita. Al enfriarse se forma una matriz de cementita Fe3 C que contiene glóbulos de austenita a 2,11% de carbono. La fase principal se inicia con la nucleación de la cementita. En la placa de cementita originada en el líquido eutéctico, crecen dendritas planas de austenita. A continuación se produce un crecimiento relativamente rápido de cristales de las dos fases. Cada una de las fases continua dentro de la misma estructura, es decir, pertenece a la misma cristal. Se hace una distinción entre ledeburita I y ledeburita II. La ledeburita I (justo por debajo de 1147 ° C) es una microestructura de austenita y cementita, la ledeburita II, a temperatura ambiente, está formada por cementita con cementita recristalizada secundaria (que se separa de la austenita con la disminución de la temperatura al enfriarse el metal) y perlita, si el enfriamiento ha sido lento. La perlita se forma por la descomposición de la austenita eutectoide por debajo de los 727 ° C. Si el enfriamiento es más rápido, se pueden desarrollar bainita en lugar de perlita, y con enfriamiento muy rápido se pueden desarrollar martensita. La cementita es un compuesto metaestable, tiende a descomponerse en ferrita α y grafito si se espera que "tiempo suficiente" Fe3 C + C → 3Fe Si el enfriamiento de la masa fundida es suficientemente lento, especialmente si contiene elementos de aleación llamados "grafitisantes" ( silicio, cobre, níquel), que no forma ledeburita sino un eutéctico al 4,25% de C, compuesto de grafito y austenita con 2,03% en peso de carbono, la fundición gris, y cuyo punto de fusión es de 1153 ° C La ledeburita posee una alta dureza y fragilidad.

Bainita

Estructura de la bainita mediante micrografía electrónica de réplica. Una aguja de bainita va de la parte inferior derecha al vértice superior izquierdo y consiste en partículas alargadas de cementita dentro de una matriz de ferrita. La fase que rodea la aguja bainítica es la martensita. La bainita es una mezcla de fases de ferrita y cementita y en su formación intervienen procesos de difusión. La bainita fue descrita por primera vez por E. S. Davenport y Edgar Bain (de quien recibe su nombre) como "de apariencia similar a la martensita sin tratamiento de revenido". 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 bainita. 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 (infiltración de partículas ajenas al material procesado), 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 de materiales metálicos. Se llama martensita en honor al metalúrgico alemán Adolf Martens (1850-1914). Generalidades La transformación martensítica no sólo ocurre en el acero, sino que otros sistemas de aleación se caracterizan por experimentar transformaciones sin difusión. Ya que la transformación martensítica no implica difusión, ocurre casi instantáneamente; los granos martensíticos se nuclean y crecen a velocidad muy alta: A la velocidad del sonido dentro de la matriz austenítica. De este modo, a efectos prácticos, la velocidad de transformación de la austenita es independiente del tiempo. La estructura de la martensita tiene la apariencia de láminas o de agujas(variantes). La fase blanca es austenita que no se transforma durante el temple rápido. La martensita también puede coexistir con otros constituyentes, como la perlita. El enfriamiento rápido (o temple) del acero austenizado, hasta temperatura próxima a la ambiental, origina otro microconstituyente denominado martensita, que resulta como una estructura de no equilibrio de la transformación sin difusión de la austenita. Se puede considerar un producto de transformación competitivo con la perlita o la bainita. La transformación martensítica tiene lugar a velocidades de temple muy rápidas que dificultan la difusión del carbono. Si hubiera difusión se formarían las fases ferrita y cementita.

La transformación martensítica no es bien conocida. Sin embargo, gran número de átomos se mueven de modo cooperativo, lo que representa pequeños desplazamientos de un átomo respecto a sus vecinos. Esta transformación significa que la austenita FCC experimenta una transformación polimórfica a la martensita tetragonal centrada en el cuerpo (TCC). La celdilla unidad de esta estructura cristalina es un cubo, alargado en una de sus tres dimensiones, centrado en el cuerpo BCC; esta estructura es diferente de la ferrita BCC. Todos los átomos de carbono permanecen como solutos intersticiales en la martensita y constituyen una disolución sólida sobresaturada capaz de transformarse rápidamente en otras estructuras si se calienta a temperaturas que implican una apreciable velocidad de difusión. La mayoría de los aceros retienen la estructura martensítica casi indefinidamente a temperatura ambiente. Con un tratamiento mecánico adecuado la estructura puede presentar una sola variante. Un caso particular son las aleaciones martensíticas ferromagnéticas, con interesantes propiedades al aplicarles un campo magnético (magnetoestricción, Villary effect).

Estructura BCT

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 (infiltración de partículas ajenas al material procesado), 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 de materiales metálicos. La martensita es una solución sólida sobresaturada de carbono atrapado en hierro alfa lo que lleva a una estructura BCT (body centered tethragonal o tetragonal de cuerpo centrado) derivada de la estructura BCC. El eje z de la celda cúbica es mayor debido a la inclusión de átomos de carbono. Los aceros con microestructura martensítica son los más duros y mecánicamente resistentes, pero también los más frágiles y menos dúctiles. La dureza de estos aceros depende del contenido en carbono; aun así, son más tenaces que los aceros perlíticos. La martensita es una solución sólida sobresaturada de carbono y austenita. La estructura cristalina cambia de FCC, austenita, a BCT, martensita, (ver figura anterior). La tetragonalidad se debe al carbono intersticial y el grado de tetragonalidad depende del % de carbono del acero, como se ve en la figura. El cambio volumétrico producto de ésta transformación, FCC a BCT, puede producir fallas en la pieza final

Universidad Tecnológica de Panamá Facultad de Mecánica Licenciatura en Ingeniería Naval

Ciencias de los Materiales II Diagrama de fases

Estudiante: Aníbal Vigil 8-867-2314

Profesor: Gonzalo Córdoba

Grupo: INI131

Fecha de entrega: 7 de octubre del 2016