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• Adolfo RJ Arellano

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ALOTRÓPO TRANSFORMACIÓN ALOTRÓPICA ANISOTROPÍA ISOTROPÍA ¿Qué es una fase? ¿Qué es un componente? Completar apunte: ferrita, austenita, cementita UNIDAD 3. CARACTERIZAR MATERIALES METÁLICOS ANALIZAR DIAGRAMAS DE FASES. DIAGRAMA DEL HIERRO Y DIAGRAMA DE HIERRO-CARBONO Objetivo: Conocer los diagramas de hierro y de hierro-carbono debido a que las propiedades físicas y químicas de los aceros se pueden controlar con precisión regulando la composición química de una aleación particular y el procesamiento, como el moldeo mecánico y/o el tratamiento de calor que recibe el material. Por ejemplo, pequeñas variaciones de la composición y tratamientos caloríficos diferentes pueden resultar en aceros apropiados para las aplicaciones siguientes: 1) Material suave y dúctil para la defensa de automóviles, tableros de utensilios, cubiertas y otras más, 2) materiales duros y fuertes para engranajes, rodamientos, cucharones, cuchillas, herramientas y otras más, 3) materiales tenaces usados en cigüeñales, recipientes a presión, trenes de aterrizaje y otras aplicaciones donde se requiere resistencia al impacto o a los golpes.

Introducción El hierro es el metal más utilizado por el hombre en los últimos tres mil años largos de su existencia. Esta supremacía se debe a la abundancia relativa de este elemento químico en la corteza terrestre, a la posibilidad cel hierro de formar aleaciones, sobre todo con el carbono, de gran utilidad (acero y fundiciones) y a la posibilidad de modificar las propiedades de estas aleaciones por tratamientos térmicos. El procedimiento más utilizado para trazar el diagrama hierro-carbono es la obtención de las curvas de enfriamiento y de calentamiento. Las curvas de enfriamiento quedan definidas por una serie de valores de temperatura en función del tiempo de tratamiento, lo que da lugar a un conjunto de puntos denominados Ar (del francés arrét refredoissement). Las curvas de calentamiento vienen definidas, a su vez, por una serie de puntos denominados Ac (del francés arrét chauffage). El hierro puro presenta las siguientes fases a medida que se enfría: A temperaturas superiores a los 1535° C el hierro permanece en estado líquido. Al llegar a esta temperatura, la curva de enfriamiento (figura 1) presenta un tramo horizontal: mientras dura el cambio de estado correspondiente a la solidificación la temperatura permanece constante. El hierro, a la temperatura de su solidificación, cristaliza en el sistema cúbico centrado en el cuerpo (hierro delta 

), con un parámetro de red de unos 2.92

A

La curva de enfriamiento del hierro puro presenta a 1400 °C un tramo horizontal que corresponde a la transformación alotrópica del hierro delta () al hierro gamma ( ), de estructura cúbica centrada en las caras, con 

un parámetro de unos 3,65

A.

El hierro gamma es estable hasta la temperatura de 910°C, temperatura que la curva de enfriamiento presenta otro tramo recto. A esta temperatura tiene lugar la transformación alotrópica del hierro gamma ( ) al hierro alfa 

(), de estructura cúbica centrada en el cuerpo, con un parámetro de red de unos 2,85

A.

Figura 1. En la figura 2 se ha representado la disposición relativa de los átomos del hierro en los estados alotrópicos.

Figura 2.

La curva de enfriamiento para aleaciones que contienen carbono es parecida a las del hierro puro, pero estos puntos quedan desplazados en cuanto a los valores de la temperatura.

DIAGRAMA DE EQUILIBRIO DEL SISTEMA BINARIO HIERRO-CARBONO El diagrama de fase de equilibrio del hierro-carburo de hierro, o el diagrama de hierro-carbono como se le conoce en general sirve como el diagrama fundamental para analizar el carbono simple y muchos aceros de baja aleación [el acero es una solución sólida intersticial de carbono en hierro, con un contenido de hasta 2.0 % de carbono, aunque en la práctica nunca supera el 1,5 % y otros elementos en calidad de impurezas, entre las que sobresalen las permanentes: el manganeso (Mn), el silicio (Si), el fósforo (P) y el azufre (S)]. En la figura 3 se muestra un diagrama de equilibrio del hierro-carburo de hierro con contenidos de carbono de hasta 6.7 %. Esto incluye la parte que es útil comercialmente, puesto que el contenido de carbono en los hierros colados o fundido en general es menor de 4.5 %. Como se muestra en la figura 3, el hierro (hierro forjado) es un material ferroso que casi no tiene carbón. Se restringe la concentración de este material a menos de 0.008% de carbono. El hierro forjado presenta una resistencia buena a la corrosión y a la falla por fatiga. Puesto que el hierro no contiene elementos de aleación, es relativamente suave y dúctil; por lo tanto, el hierro forjado encuentra aplicaciones en pernos, caños, tubos, clavos t otras piezas que no requieren de resistencia y durezas altas. Como vimos anteriormente, los aceros contienen añadidos de carbono de hasta 2%, que es la cantidad máxima de carbono que es soluble en el acero en el estado sólido. Esta categoría de aleaciones también se clasifican en hipoeutectoide (0.8 %C) y en hipereutectoide (que contiene más de 0.8 % de C). El término eutectoide se refiere a la reacción de estado sólido que tiene lugar a una composición y temperatura específicas. Se definen como hierros colados o fundidos a las composiciones que tienen más de 2% de carbono.Óbservese que estas aleaciones exceden la solubilidad máxima del carbono en el acero y contienen un constituyente eutéctico que se forma a 4.3% de carbono Y 1148 °c. Estas concentraciones relativamente altas de carbono producen un material que es duro y /o frágil y que no se puede moldear o darle forma con trabajo mecánico. Por lo tanto, estas aleaciones se vierten como coladas para obtener las configuraciones geométricas deseadas, de aquí el término “hierro colado”. Las fases y constituyentes importantes que existen en los aceros son las siguientes:  Ferrita () ;

 Austenita (      Delta (Esta fase consiste de una solución sólida de carbono de hierro cbc, tiene esencialmente la misma estructura cristalina que el hierro- excepto que existe a temperaturas por encima de 1400 °C. La solubilidad máxima del carbono en el hierro- es de 0.10%.   En el sistema hierro-carbono se presenta una reacción interesante a la temperatura de 1495 °C y con una composición de 0.18 % de C. Esta reacción consiste de una fase sólida más una fase líquida que se transforma en una fase sólida. A esta transformación se le llama reacción peritéctica y en el acero se puede expresar de la siguiente manera: Delta + líquido austenita ( La región delta del diagrama de fases es importante en el análisis de soldaduras en donde las temperaturas en la zona de soldado excede la sólida. 

   Cementita o carburo de hierro (Fe3C) (Fig 2.1): Fase dura pero frágil

 Ledeburita (Eutéctica): El sistema hierro-carbono pasa por una reacción eutéctica a 4.3% de carbono y 1148 °C, la palabra eutéctica deriva del griego eutektos que significa de fácil fusión, en este caso el material con la composición eutectica se funde por completo a la temperatura eutéctica. Cualquier composición diferente a la eutéctica no se fundira completamente a la temperatura eutéctica. En este caso, la LEDEBURITA se encuentra a 4.3% de carbono y 1148°C y es una mezcla de austenita ( y cementita

 Perlita: Se da la reacción eutectoide que se presenta a una temperatura de 727 °C y una composición de 0.8% de C, en donde la ferrita y el carburo de fierro se funden por completo, Mezcla de ferrita () y de cementita (Fe3C). Cuando se le ataca con reactivos sensitivos al soluto, la perlita tiene una apariencia laminar característica, que contiene bandas alternadas de ferrita (claras) y de carburo de hierro (obscuras). Durante la formación de este constituyente microestructural (perlita), el carbón que no se puede disolver en la ferrita, se combina con el hierro para formar carburo de hierro (figura 5).

Figura 2.1

Figura 3. La microestructura en los aceros hipoeutectoides consiste en ferrita y perlita:

% de ferrita = 0.8 -%C 0.8 -0.022

% de perlita = %C -0.022 0.8 -0.022

Los aceros hipoeutectoides son aquellos en los que la fase austenítica sólida tiene un contenido en carbono inferior a la del eutectoide 0.8 %. Los cambios en la microestructura de un acero

de esta composición se dan en la figura 4.4. Para T ≈ 875 °C, la microestructura de la fase es  homogénea con granos orientados al azar (punto c de la línea yy’). Al enfriar se desarrolla la fase α y nos encontramos en una región bifásica α +  (punto d de la línea yy’). En este punto se ha segregado un poco de fase α, al bajar en temperatura (punto e de la línea yy’) aumenta el contenido en fase α. Al enfriar pasamos a través de la temperatura del eutectoide al punto f de la línea yy’. En esta transformación de fases, la ferrita no cambia prácticamente y la austenita que queda se transforma en perlita dando la microestructura característica de los aceros hipoeutectoides (figura 4.5).. En la perlita la relación de fases es ≈ 9:1, pero en los aceros hipoeutectoides la relación perlita y ferrita proeutectoide depende del porcentaje inicial de carbono. Esta microestructura siempre se observa en los aceros hipoeutectoides si han sido enfriados lentamente y son los más comunes.

Figura 4.4

Aceros

eutectoides. Son aquellos que poseen exactamente microestructura está formada totalmente por perlita.

0.8%

de

carbono.

Su

Los aceros eutectoides son aquellos en los que la fase austenítica sólida tiene composición del

eutectoide 0.77 % (figura 4.2). Inicialmente la microestructura de la fase  es muy sencilla con granos orientados al azar (punto a de la línea xx’). Al enfriar se desarrollan las dos fases sólidas Fe-alfa y cementita. Para cada grano de austenita se forman dos fases con láminas de ferrita y otras de cementita y relación de fases de 9:1, respectivamente (punto b de la línea xx’). Las orientaciones entre grano son al azar. Esta microestructura de ferrita y cementita (figura 4.2) se conoce como perlita, y el nombre deriva de la apariencia de madreperla bajo el microscopio (figura 4.3). Mecánicamente, las perlitas tienen propiedades intermedias entre la blanda y dúctil ferrita y la dura y quebradiza cementita.

Figura 4.2 3. Aceros hipereutectoides. Son aquellos que poseen entre 0.8% de carbono y 2.11%. Su microestructura consiste en cementita y perlita.

% de cementita %C – 0.8 6.67-0.8

x100

% de perlita 6.67 – %C 6.67-0.8

x100

Los aceros hipereutectoides son aquellos en los que la fase austenítica sólida tiene un contenido en carbono entre 0.8 y 2.11 %. Los cambios en la microestructura de un acero de esta composición se dan en la figura 10.6. Para T ≈ 900 °C, la microestructura de la fase  es homogénea con granos orientados al azar (punto g de la línea zz’). Al enfriar se desarrolla la cementita y nos encontramos en una región bifásica  + cementita (punto h de la línea zz’). La cementita se comienza a formar en los límites de grano de la austenita. Esta cementita se denomina cementita proeutectoide ya que se ha formado antes de que se de la reacción del eutectoide. Al descender por debajo de la temperatura eutéctica, toda la austenita remanente de composición eutectoide se transforma en perlita (punto i de la línea zz’). Por tanto la microestructura es perlita y cementita (figura 4.7).

Figura 4.

EJEMPLO: Determine las transformaciones que experimenta el acero al carbón simple que contiene 0.4 % de carbono (acero 1040) a medida que se enfría lentamente desde el estado líquido hasta la temperatura de medio ambiente. En la siguiente figura se identifica esta aleación como A.

Figura 5. Punto a: La solidificación de la solución sólida delta cbc comienza, con un contenido de carbono de aproximadamente 0.05 % Punto b: A esta temperatura (1495 °C) tiene lugar la reacción peritéctica, que transforma la solución sólida delta y algo de aleación líquida a austenita cfc. Punto c: A esta temperatura se completa el proceso de solidificación y el sistema completo (masa) es austenita con un contenido nominal de 0.4 % de carbono. La continuación del enfriamiento desde c hasta d no produce cambios de fase. En la figura 5 se muestra la microestructura de esta solución sólida de fase simple.

Punto d: Cuando la aleación A alcanza esta temperatura, se empieza a formar a partir de la austenita, la ferrita cfc. Esta es una reacción de estado sólido y es controlada por la difusión del carbono en la austenita. El contenido de carbono en la ferrita que se forma es muy bajo como lo predice el diagrama (menos de 0.025 %) ¿por qué? Punto e: Cuando nos aproximamos a los 727° C (la temperatura eutectoide), la austenita remanente se aproxima a 0.8 % de carbono (a pesar de que la composición nominal es de 0.4 % carbono). En consecuencia en este punto se presenta la reacción eutectoide transformando a perlita (cementita). Para determinar las proporciones de los constituyentes microestructurales en esta aleación, se aplica en este punto, la regla de la palanca como sigue:

EJERCICIO

-Escribe los nombres de las fases correspondientes en los recuadros y en los puntos 1 y 2

- Complementa la información en las líneas subrayadas 1.- _______________. Son aquellos que poseen menos de _______ de carbono. La microestructura presente en estos aceros consiste de __________ y __________. % de ferrita = ______________ x100

% de perlita =

-De la figura anterior describe las transformaciones que experimenta el acero hipoeutectoide en los puntos c, e, d y f c)

d)

e)

f)

2.- Aceros ____________ Son aquellos que poseen exactamente 0.8% de carbono. Su microestructura está formada totalmente por perlita.

-De la figura anterior describe las transformaciones que experimenta el acero hipoeutectoide en los puntos a y b a)

b)

3. Aceros ______________. Son aquellos que poseen entre 0.8% de carbono y 2.11%. Su microestructura consiste en cementita y perlita. % de cementita ____________ x100

% de perlita _____________ x 100

-De la figura anterior describe las transformaciones que experimenta el acero hipoeutectoide en los puntos g, h e i g) h) i)

La siguiente figura muestra el aumento del porcentaje de carbón para aceros hasta el 1.4% de C,

¿Qué se puede interpretar de la gráfica respecto al aumento del porcentaje de carbono en los aceros? ¿Qué pasa cuando se tiene un porcentaje de carbono del 0.83 % de C?

Qué % de constituyentes microestructurales se tendrían para un acero 1060

¿Cuál es la reacción eutéctica en el diagrama hierro-carbono?

Cuáles son los constituyentes en una aleación Fe-C que posea 6% C? a) Perlita y ledeburita b) Ferrita y ledeburita c) Ledeburita y cementita

Realiza un mapa conceptual de las fases del diagrama hierro-carbono