Materiales para Ingeniería Actividad 4

Diagrama Hierro-Carbono Historia y componentes Diagrama, partes y su descripción Diagrama en equilibrio Grafitización Relación del diagrama con sus propiedades

Reseña Histórica Las aleaciones más importantes de la técnica Este diagrama está relacionado con los aceros y las fundiciones El hierro se producía artesanalmente hasta mediados del siglo 19 La producción de acero comenzó a mediados del siglo 19 Desde los años 30 se observaba en el microscopio el hierro y el acero en sus diferentes producciones Desde antes de 1868 se comenzó a determinar el diagrama FeC Ese año se puede considerar como el nacimiento de la metalurgia como ciencia D.K.Chernov Panteó la existencia de los puntos críticos del diagrama FeC En el 1916 Entregó el primer boceto de diagrama

Reseña Histórica En los últimos 25 años del siglo 19 se realizaron los trabajos más importantes para la construcción del diagrama FeC Los puntos críticos se determinaban por el color del acero a esas temperaturas Le Chatelier en Francia inventó el pirómetro óptico y midió la posición de los puntos críticos, le dio nombre a las estructuras principales de las aleaciones FeC El, demostró la formación de las soluciones sólidas explicadas por el inglés W. Roberts Austen La primera Variante del diagrama FeC aunque incompleta, fue presentada por el canadiense D.Gibbs, El Holandés Rooseboom y el inglés W. Roberts Austen El desarrollo posterior de los equipos de medición y las tecnologías permitió completar y precisar mejor los puntos críticos En la actualizad se continúa la investigación de este diagrama

El Hierro Se produce en altos hornos o en hornos Martin-Siemens con una pureza del 99,8%-99,9% La temperatura de fusión del hierro es de 1539 ±5 grados Celsius Presenta en sólido dos modificaciones alotrópicas c.c. (α) c.c.c. (γ) debido a la variación de la energía libre de estas dos fases La modificación alotrópica a altas temperaturas no es una nueva fase aunque a veces le denominen δ, solo tiene parámetros de la red diferentes por la diferencia de temperatura Propiedades mecánicas del hierro técnico La solución sólida de Carbono en Hierro α se denomina Ferrita La solución sólida de Carbono en Hierro γ se denomina austenita La solución sólida en por inserción Los parámetros de la red cambian en dependencia de la cantidad de carbono disuelto y de la temperatura

Cementita Compuesto químico de carbono y hierro, (Carburo de hierro) Fe3C La estructura cristalina de la cementita es complicada Constituida por una serie de octaedros cuyos ejes forman entre si ciertos ángulos. La temperatura de fusión de la cementita es de alrededor de 1250 grados celcius No experimenta transformaciones alotrópicas Posee una dureza alta y baja plasticidad La cementita puede formar soluciones sólidas de sustitución sustituyendo el carbono por oxigeno, nitrógeno y los de hierro por manganeso, cromo, volframio, etc A esta solución sólida se le llama cementita aleada En determinadas condiciones se descompone en grafito

Grafito Una de las formas alotrópicas del carbono La estructura cristalina del grafito es laminar La resistencia y plasticidad del grafito son bastante pequeñas Es una fase más estable que la cementita, pero como su composición es del 100% de Carbono, la cinética de difusión la hace más difícil, dependiendo de las condiciones de equilibrio

Fases Líquido : Solución líquida de carbono en hierro (L) Ferrita : Solución sólida de carbono en hierro (α, F, Feα(C)) Austenita : Solución sólida de Carbono en hierro (γ, A, Feγ(C)) Cementita : Solución Sólida basada en un compuesto Químico Fe3C, Existe en el diagrama metaestable (C) Grafito : Carbono en forma libre dentro de las aleaciones de hierro carbono (G), existe en el diagrama estable

Microestructuras de los diagramas FeC Ferrita : Granos o zonas homogéneas de ferrita Austenita : Granos o zonas homogéneas de austenita Cementita : Granos o zonas homogéneas de Cementita Grafito : Granos o zonas homogéneas de Grafito Perlita : Granos o zonas heterogéneas de mezcla mecánica de ferrita y cementita en los aceros aceros correspondiente a la aleación eutectoide Ledeburita: Granos o zonas heterogéneas de mezcla mecánica de cementita y perlita en los hierros fundidos correspondiente a la aleación eutéctica

Diagramas de Fases y microestructuras de las aleaciones Fe-C Puntos Críticos del diagrama Diagrama de Fases (Askeland) Diagrama de Microestructuras (Guliaev) Estabilidad energética de la cementita y el grafíto Diagrama Estable Microestructuras, aceros, Fundiciones grises

Grafitización En determinadas condiciones de temperatura la cementita se descompone en austenita y grafito. Es necesario la difusión del carbono hacia centros de cristalización de grafito y la auto difusión del hierro de los puntos en los cuales se segrega el grafito Al calentar tiempo suficiente para la difusión por encima de la curva PSK a una fundición se obtiene el paso de la cementita a austenita más grafito, parcial o totalmente dependiendo del tiempo Si luego se baja la temperatura solo un poco por debajo de PSK la austenita pasa a transformarse en ferrita más grafito si se mantiene a esa temperatura el tiempo suficiente, por lo que también puede ser total o parcial A estas dos etapas se les llama grafitización primaria y secundaria Se puede hacer por vía isotérmica o por enfriamiento lento Recocido de maleabilización

Tipos de fundición Blanca Gris Laminar Nodular Esferoidal

Influencia de la velocidad de enfriamiento en la estructura En la fundición de piezas de fundición gris el espesor de las paredes influye en la estructura metalográfica obtenida En los espesores menores se obtiene fundición blanca y en los espesores mayores fundición gris ferrítica, definido por la velocidad de enfriamiento

Influencia del % de carbono en las propiedades mecánicas del acero Incrementa la resistencia Disminuye la plasticidad y la tenacidad Influye en las diferentes propiedades físicas

Propiedades mecánicas en la fundición gris La forma del grafito es determinante La forma del grafito no influye en la dureza La forma esferoidal es la de alta resistencia