Diagrama Hierro-Carbono Introducción.- El hierro es un metal alotrópico, lo que significa que puede presentarse en diversas variedades de estructuras cristalinas. Al solidificar a 1537 oC lo hace en la forma hierro delta (δ), que pertenece a la red CC. Cuando desciende la temperatura a 1401 oC tiene lugar un cambio de fase reagrupándose los átomos y dando origen a la variedad hierro gamma ( ﻻ), la cual es la red CCC y no magnética. Al proseguir el enfriamiento del metal se presenta un nuevo cambio de fase a 907 oC, pasando de la estructura del hierro de la variedad ﻻ ,a la hierro alfa (α), que pertenece a la CC y también es no magnética. Finalmente, a 767 oC aparece un cambio en las propiedades magnéticas del hierro α, el cual pasa de no magnético a magnético, sin que la estructura cristalina sufra ninguna variación.

Diagrama Hierro-Carbono

Diagrama Hierro-Carbono El diagrama hierro-carbono.- La adición de elementos de aleación al hierro influye en las temperaturas a que se producen las transformaciones alotrópicas. Entre estos elementos, el más importante es el carbono (C), el cual al alearse con el hierro lo hace según el diagrama de equilibrio representado en la siguiente figura.

Diagrama Hierro-Carbono

Diagrama Hierro-Carbono En el diagrama aparecen tres líneas horizontales, las cuales indican reacciones isotérmicas. Consideremos la parte del diagrama situada en el ángulo superior izquierdo de la figura, la cual se muestra ampliada en la siguiente figura. Esta parte se denomina región delta. A la temperatura de 1493 oC se ubica la reacción peritéctica. La máxima solubilidad del carbono en el hierro δ es 0,10 %C, mientras que el hierro ﻻ disuelve al carbono en una proporción mucho mayor. En cuanto al valor industrial de la región delta es muy pequeño ya que no se efectúa ningún tratamiento térmico en este intervalo de temperaturas.

Diagrama Hierro-Carbono Reacción peritéctica: δ + L γ

Diagrama Hierro-Carbono La siguiente línea horizontal es la corresponde una temperatura de 1129 oC. Esta temperatura es la de solidificación el eutectico y la reacción que en ella se desarrolla es la eutectica: Líquido γ + Fe3C La mezcla eutéctica, por lo general, no se ve al microscopio, ya que a la temperatura ambiente la fase γ no es estable y experimenta otra transformación durante el enfriamiento.

Diagrama Hierro-Carbono La última línea horizontal se presenta a los 722 oC. Esta línea corresponde a la temperatura y formación del eutectoide, y al alcanzar un enfriamiento lento la fase γ debe desaparecer. Esta ecuación de reacción puede expresarse como: γ α + Fe3C

Diagrama Hierro-Carbono En función del contenido de carbono suele dividirse el diagrama hierro carbono en dos partes: una que comprende las aleaciones con menos de 2 %C y que se llaman aceros, y otra integrada por las aleaciones con más de un 2 %C, las cuales se llaman fundiciones. A su vez la región de los aceros se subdivide en otras dos: una formada por los aceros cuyo contenido de carbono es inferior a la correspondiente a la composición eutectoide (0,77%C), las cuales se llaman aceros hipoeutectoides, y la otra compuesta por los aceros cuyo contenido se encuentra entre 0,77 y 2 %C y que se conocen como aceros hipereutectoides.

Diagrama Hierro-Carbono Cementita o carburo de hierro contiene 6,67% de carbono en peso y su fórmula química es Fe3C. Es un compuesto típicamente duro y frágil de baja resistencia tensil, pero de alta resistencia compresiva. Es la estructura más dura que aparece en el diagrama. Su estructura cristalina es ortorrómbica. Austenita es el nombre dado a la solución sólida ﻻ. Es una solución sólida intersticial de carbono disuelto en hierro g (CCC). Su máxima solubilidad es del 2% de carbono. Generalmente no es estable a temperatura ambiente, salvo bajo ciertas condiciones especiales. Ledeburita es la mezcla eutéctica de austenita y cementita. Contiene 4,3% de C y se forma a temperatura eutéctica.

FERRITA Ferrita es el nombre dado a la solución sólida α . Es una solución sólida intersticial de una pequeña cantidad de carbón disuelta en hierro a (CC). La máxima solubilidad que tiene es 0,025% de C, a temperatura eutectoide, y a temperatura ambiente disuelve 0,008% de C. Esta estructura es la más blanda de todas las que aparecen en el diagrama, su resistencia es de 2,7 Mpa, es ferromagnético siendo su temperatura de Curie 768ºC. A partir de esta temperatura hasta los 910ºC su comportamiento es paramagnético. A pocos aumentos (figura) se observan una serie de recintos poligonales y equiaxiales, que según el diagrama corresponden a granos de ferrita, esta microfotografía corresponde a un acero con 0,05%C (acero hipoeutectoide).

x100 Fig. 2 x400                                                                                                             FERRITA

FERRITA En aceros con sólo un 0,4 % de carbono (figura) las colonias perlíticas se han extendido hasta ocupar una gran superficie. La propia morfología de los granos de ferrita ha cambiado, presentándose ahora con tendencia acicular, nucleada, con preferencia, en los límites de grano austenítico. En cuanto a la perlita, el espaciado interlaminar de sus constituyentes es menor; su estructura, más fina.

PERLITA Perlita es el nombre que recibe la mezcla eutectoide que contiene 0,77% C y se forma la temperatura eutectoide en enfriamiento lento. Es una mezcla muy fina tipo laminar de ferrita y cementita, y su microestructura, que recuerda a una huella digital. La base o matriz ferrítica blanca que forma la mayor parte de la mezcla eutectoide contiene delgadas placas de cementita. Las fundiciones de fierro son aleaciones de Fe con 2 a 4% C y usualmente con 1% Si. Una aleación de Fe 3% C puede solidificar según el diagrama de fases de equilibrio, i.e. Fe-grafito, o según el diagrama metaestable, Fe- Fe3C (cementita).

PERLITA Cuando esta estructura laminar es muy fina (las láminas son muy delgadas) la perlita se ve al microscopio óptico como negra. Sin embargo ambas fases, ferrita y cementita, en condiciones normales de ataque son blancas. El color oscuro o negro lo producen el gran número de límites de grano existentes entre la matriz ferrítica y las láminas de cementita.

CEMENTITA Es el carburo de hierro Fe3C con un contenido fijo de carbono del 6,67%. Es el constituyente más duro del acero alcanzando una dureza de 68 HRC. También la morfología de la cementita es muy variada siendo destacables algunas estructuras típicas. Se consideran las siguientes en los aceros: cementita secundaria, cementita eutectoide y cementita terciaria. En los aceros, la cementita libre, no asociada con otras fases suele aparecer en los aceros hipereutectoides, como cementita secundaria, formando una red continua enmarcando una estructura granular formada por colonias de perlita (figura).

CEMENTITA

REACCION EUTECTOIDE EN EL SISTEMA HIERRO-CARBONO Reacción eutectoide.- Si se calienta una aleación que contiene la composición eutectoide de 0,77% de C encima de los 727 oC, se produce una estructura que contiene solamente granos de austenita. Cuando la austenita se enfría a 727 oC, se inicia la reacción eutectoide. Como ocurre en la reacción euetéctica, las dos fases que se forman tienen una composición diferente de modo que los átomos deben difundirse durante la reacción. La mayoría del carbono en la austenita difunde a la Fe3C, pero un porcentaje mayor de átomos de hierro difunde hacia α. Esta redistribución de átomos es más fácil si las distancias de difusión son cortas, que es el caso cuando α y Fe3C crecen como laminillas delgadas.

REACCION EUTECTOIDE EN EL SISTEMA HIERRO-CARBONO Perlita.- La estructura laminar de α y Fe3C que se desarrolla en el sistema hierro-carbono es llamada perlita. La perlita es un microconstituyente en el acero. Las laminillas en la perlita son mucho más finas que las que ocurre en el eutéctico plomo-estaño debido a que los átomos de hierro y de carbono deben difundirse a través de austenita sólida en vez de líquida.

REACCION EUTECTOIDE

SISTEMA HIERRO-CARBONO Microconstituyentes primarios.- Los aceros hipoeutectoides contienen menos de 0,77% de C y los aceros hipereutectoides contienen más de 0,77% de C. Aceros hipoeutectoides.- La ferrita es el microconstituyente primario o proeutectoide en las aleaciones hipoeutectoides, siendo la cementita el microconstituyente primario o proeutectoide en las aleaciones hipereutectoides. Si se calienta una aleación hipoeutectoide que contiene 0,60% de C por encima de 750 oC, sólo permanece austenita en la microestructura. justo por debajo de los 750 oC, la ferrita se precipita y crece, usualmente en los límites de grano austeníticos. La ferrita primaria continúa creciendo hasta que la temperatura disminuye a 727 oC. La austenita restantea a esa temperatura se encuentra ahora rodeada por ferrita y ha cambiado su composición de 0,60% de C a 0,77% de C. El enfriamiento posterior por debajo de los 727 oC provoca que la totalidad de la austenita restante se transforme en perlita por la reacción eutectoide. La estructura final contiene dos fases –ferrita y perlita- distribuidas como dos microcostituyentes –ferrita primaria y perlita.

Aceros hipoeutectoides

SISTEMA HIERRO-CARBONO Aceros hipoeutectoides.- La microestructura final contiene islas de perlita rodeadas por la ferrita primaria. Esto permite a la aleación ser resistente, debido a perlita endurecida por dispersión, a la vez que dúctil debido a la ferrita primaria continua. Aceros hipereutectoides.- La fase primaria es Fe3C, la cual de nuevo se forma en los límites de grano de la austenita. Después que la austenita se enfría a través de la reacción eutectoide, el acero contiene cementita dura y frágil rodeando islas de perlita. Ahora, debido a que el microconstituyente duro y frágil es continuo, el acero también es frágil. Afortunadamente, es posible mejorar la microestructura y las propiedades de los aceros hipereutectoides mediante un tratamiento térmico.

Aceros hipereutectoides Cementita Perlita

MICROFOTOGRAFIA ACERO HIPOEUTECTOIDE La microfotografía que se indica corresponde a un acero hipoeutectoide que muestra α primaria (blanco) y perlita (oscuro). Ferrita Perlita

MICROFOTOGRAFIA ACERO HIPEREUTECTOIDE La microfotografía que se indica corresponde a un acero hipereutectoide que presenta Fe3C primaria rodeando a la perlita. Perlita Carburo de hierro (Fe3C)

MICROCONSTITUYENTES DE LOS ACEROS Microconstituyentes De Aceros No Aleados - Ferrita. - Cementita. - Perlita. Microconstituyentes De Aceros No Aleados y Templados - Martensita. - Estructuras intermedias (Sorbita, Troostita y Bainita).

MICROCONSTITUYENTES DE LOS ACEROS Otros Microconstituyentes. Además de los microconstituyentes comentados, los aceros no aleados presentan en sus microestructuras otros elementos de interés. Entre los que se destacan las impurezas, óxidos e inclusiones resultado de la deficiente desoxidación y refino de los mismos. Los óxidos se producen en la superficie de la pieza generalmente. Entre las inclusiones destacan las de silicatos y las de sulfuros, principalmente de Mn, que aparecen como granos alargados en la dirección de laminación, con coloraciones oscuras y gris, respectivamente. La observación de estos microconstituyentes es conveniente realizarla previamente al ataque de la probeta metalográfica.