ACEROS: ALEACIONES HIERRO-CARBONO
El acero es una aleación de hierro con una pequeña proporción de
carbono, que comunica a aquel propiedades especiales tales como dureza y
elasticidad. En general, también se pueden fabricar aceros con otros componentes
como manganeso, niquel o cromo. El hierro es un constituyente fundamental de
algunas de las más importantes aleaciones de la ingeniería. El hierro es un
metal alotrópico,
por lo que puede existir en más de una estructura reticular dependiendo
fundamentalmente de la temperatura. Es uno de los metales más útiles debido a
su gran abundancia en la corteza terrestre (constituyendo más del 5% de esta, aunque
rara vez se encuentra en estado puro, lo más normal es hallarlo combinado con
otros elementos en forma de óxidos, carbonatos o sulfuros) y a que se obtiene
con gran facilidad y con una gran pureza comercial. Posee propiedades físicas y
mecánicas muy apreciadas y de la más amplia variedad.
El hierro técnicamente puro, es
decir, con menos de 0.008% de carbono, es un metal blanco azulado, dúctil y
maleable, cuyo peso específico es 7.87. Funde de 1536.5ºC a 1539ºC
reblandeciéndose antes de llegar a esta temperatura, lo que permite forjarlo y
moldearlo con facilidad. El hierro es un buen conductor de la electricidad y se
imanta fácilmente.
Aleaciones
Fe-C Diagrama de
equilibrio de las aleaciones Fe-C Proceso de
enfriamiento lento del acero
Tipos de aceros:
Ferrita Cementita Perlita Austenita Martensita Bainita Ledeburita
FORMAS ALOTRÓPICAS DEL HIERRO
El hierro cristaliza en la variedad alfa
hasta la temperatura de 768ºC. La red espacial a la que pertenece es la red
cúbica centrada en el cuerpo (BCC). La distancia entre átomos es de 2.86 Å. El hierro alfa no disuelve
prácticamente en carbono, no llegando al 0.008% a temperatura ambiente,
teniendo como punto de máxima solubilidad a T=723ºC (0,02%).
La variedad beta existe de 768ºC a 910ºC.
Cristalográficamente es igual a la alfa, y únicamente la distancia entre átomos
es algo mayor: 2.9 Å a 800ºC y 2905ºC a 900ºC.
La variedad gamma se presenta de 910ºC a
1400ºC. Cristaliza en la estructura FCC. El cubo de hierro gamma tiene más
volumen que el de hierro alfa. El hierro gamma disuelve fácilmente en carbono,
creciendo la solubilidad desde 0.85% a 723ºC hasta 1.76% a 1130ºC para decrecer
hasta el 0.12% a 1487ºC. Esta variedad de Fe es amagnético.
La variedad delta se inicia a
los 1400ºC, observándose, entonces una reducción en el parámetro hasta 2.93Å, y un retorno a la
estructura BCC. Su máxima solubilidad de carbono es 0.007% a 1487ºC. Esta
variedad es poco interesante desde el punto de vista industrial. A partir de
1537ºC se inicia la fusión del Fe puro.
ALEACIONES HIERRO-CARBONO
El hierro puro apenas tiene
aplicaciones industriales, pero formando aleaciones con el carbono (además de
otros elementos), es el metal más utilizado en la industria moderna. A la
temperatura ambiente, salvo una pequeña parte disuelta en la ferrita, todo el
carbono que contienen las aleaciones Fe-C está en forma de carburo de hierro(
CFe3 ). Por eso, las aleaciones Fe-C se denominan también aleaciones
hierro-carburo de hierro.
Las aleaciones con contenido de C
comprendido entre 0.03% y 1.76% tienen características muy bien definidas y se denominan
aceros. Los aceros de cualquier proporción de carbono dentro de los
límites citados pueden alearse con otros elementos, formando los denominados
aceros aleados o aceros especiales. Algunos aceros aleados pueden contener
excepcionalmente hasta el 2.5% de C. Los aceros generalmente son forjables, y
es ésta una cualidad muy importante que los distingue. Si la proporción de C es
superior a 1.76% las aleaciones de Fe-C se denominan fundiciones, siendo la
máxima proporción de C aleado del 6.67%, que corresponde a la cementita pura.
Las fundiciones, en general, no son forjables.
· Tipos
de aceros:
En las aleaciones Fe-C pueden
encontrarse hasta once constituyentes diferentes, que se denominan: ferrita,
cementita, perlita, austenita, martensita, troostita sorbita, bainita,
ledeburita, steadita y grafito.
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
Es carburo de hierro y por tanto su
composición es de 6.67% de C y 93.33% de Fe en peso. Es el constituyente más
duro y frágil de los aceros, alcanzando una dureza de 960 Vickers. Cristaliza formando
un paralelepípedo ortorrómbico de gran tamaño. Es magnética hasta los 210ºC,
temperatura a partir de la cual pierde sus propiedades magnéticas. Aparece
como:
-
Cementita
proeutectoide, en aceros hipereutectoides, formando un red que envuelve a los
granos perlíticos.
-
Componente
de la perlita laminar.
-
Componente
de los glóbulos en perlita laminar.
-
Cementita
alargada (terciaria) en las uniones de los granos (0.25% de C)
Es un constituyente compuesto por el
86.5% de ferrita y el 13.5% de cementita, es decir, hay 6.4 partes de ferrita y
1 de cementita. La perlita tiene una dureza de aproximadamente 200 Vickers, con
una resistencia a la rotura de 80 Kg/mm2 y un alargamiento del 15%.
Cada grano de perlita está formado por láminas o placas alternadas de cementita
y ferrita. Esta estructura laminar se observa en la perlita formada por
enfriamiento muy lento. Si el enfriamiento es muy brusco, la estructura es más
borrosa y se denomina perlita sorbítica. Si la perlita laminar se calienta durante
algún tiempo a una temperatura inferior a la crítica (723 ºC), la cementita
adopta la forma de glóbulos incrustados en la masa de ferrita, recibiendo
entonces la denominación de perlita globular.
Este es el constituyente más denso
de los aceros, y está formado por la solución sólida, por inserción, de carbono
en hierro gamma. La proporción de C disuelto varía desde el 0 al 1.76%,
correspondiendo este último porcentaje de máxima solubilidad a la temperatura
de 1130 ºC.La austenita en los aceros al carbono, es decir, si ningún otro
elemento aleado, empieza a formarse a la temperatura de 723ºC. También puede
obtenerse una estructura austenítica en los aceros a temperatura ambiente,
enfriando muy rápidamente una probeta de acero de alto contenido de C a partir
de una temperatura por encima de la crítica, pero este tipo de austenita no es
estable, y con el tiempo se transforma en ferrita y perlita o bien cementita y
perlita.
Excepcionalmente, hay algunos aceros
al cromo-niquel denominados austeníticos, cuya estructura es austenítica a la
temperatura ambiente. La austenita está formada por cristales cúbicos de hierro
gamma con los átomos de carbono intercalados en las aristas y en el centro. La
austenita tiene una dureza de 305 Vickers, una resistencia de 100 Kg/mm2
y un alargamiento de un 30 %. No presenta propiedades magnéticas.
Bajo velocidades de enfriamiento
bajas o moderadas, los átomos de C pueden difundirse hacía afuera de la
estructura austenítica. De este modo, los átomos de Fe se mueven ligeramente
para convertir su estructura en una tipo BCC. Esta transformación gamma-alfa
tiene lugar mediante un proceso de nucleación y crecimiento dependiente del
tiempo (si aumentamos la velocidad de enfriamiento no habrá tiempo suficiente
para que el carbono se difunda en la solución y, aunque tiene lugar algún
movimiento local de los átomos de Fe, la estructura resultante no podrá llagar
a ser BCC, ya que el carbono está “atrapado” en la solución). La estructura
resultante denominada martensita, es una solución sólida sobresaturada de
carbono atrapado en una estructura tetragonal centrada en el cuerpo. Esta
estructura reticular altamente distorsionada es la principal razón para la alta
dureza de la martensita, ya que como los átomos en la martensita están
empaquetados con una densidad menor que en la austenita, entonces durante la
transformación (que nos lleva a la martensita) ocurre una expansión que produce
altos esfuerzos localizados que dan como resultado la deformación plástica de
la matriz.
Después de la cementita es el
constituyente más duro de los aceros. La martensita se presenta en forma de
agujas y cristaliza en la red tetragonal. La proporción de carbono en la
martensita no es constante, sino que varía hasta un máximo de 0.89% aumentando
su dureza, resistencia mecánica y fragilidad con el contenido de carbono. Su
dureza está en torno a 540 Vickers, y su resistencia mecánica varía de 175 a
250 Kg/mm2 y su alargamiento
es del orden del 2.5 al 0.5%. Además es magnética.
Se forma la bainita en la
transformación isoterma de la austenita, en un rango de temperaturas de 250 a
550ºC. El proceso consiste en enfriar rápidamente la austenita hasta una
temperatura constante, manteniéndose dicha temperatura hasta la transformación
total de la austenita en bainita.
La ledeburita no es un constituyente
de los aceros, sino de las fundiciones. Se encuentra en las aleaciones Fe-C cuando
el porcentaje de carbono en hierro aleado es superior al 25%, es decir, un
contenido total de 1.76% de carbono.
La ledeburita se forma al enfriar
una fundición líquida de carbono (de composición alrededor del 4.3% de C) desde
1130ºC, siendo estable hasta 723ºC, decomponiéndose a partir de esta
temperatura en ferrita y cementita
DIAGRAMA DE EQUILIBRIO DE LAS ALEACIONES HIERRO-CARBONO.
La temperatura a que tienen lugar los cambios alotrópicos en el
hierro estará influida por los elementos que forman parte de la aleación, de
los cuales el más importante es el carbono. La figura que mostramos a
continuación muestra la porción de interés del sistema de aleación Fe-C.
Contiene la parte entre Fe puro y un compuesto intersticial, llamado carburo de
hierro, que contiene un 6.67% de C en peso. Esta porción se llamará diagrama de
equilibrio hierro-carburo de hierro.
Antes de estudiar este diagrama es
importante notar que no se trata de un verdadero diagrama de equilibrio, pues
un verdadero equilibrio implicaría que no hubiera cambio de fase con el tiempo.
Sin embargo, es un hecho que el compuesto carburo de hierro se descompondrá de
una manera muy lenta en hierro y carbono (grafito), lo cual requerirá un
período de tiempo muy largo a temperatura ambiente. El carburo de hierro se
dice entonces metaestable; por tanto, el diagrama hierro-carburo de hierro,
aunque técnicamente representa condiciones metaestables , puede considerarse
como representante de cambios en equilibrio, bajo condiciones de calentamiento
y enfriamiento relativamente lentas.
El diagrama muestra tres líneas
horizontales que indican reacciones isotérmicas. La solución sólida a se llama austenita. La segunda figura
muestra ampliada la porción del diagrama de la esquina superior izquierda. Esta
se conoce como región delta, debido a la solución sólida d. A 2720ºF se encuentra una línea horizontal
que nos marca la reacción peritéctica. Dicha reacción responde a la ecuación:
Líquido + d Þ Austenita (enfriamiento)
Ü
(calentamiento)
La solubilidad máxima del carbono en Fe d (BCC) es de 0.10%
(punto M), mientras que en Fe g (FCC) es mucho mayor. La presencia de carbono
influye en el cambio alotrópico d Û g. Conforme crece la
proporción de C, la temperatura del cambio alotrópico aumenta de 2554 a 2720ºF
al 0.10% de C. Considérese el significado de la línea NMPB. Al enfriar, la línea
NM, representa la frontera del cambio de estructura cristalina de Fe d (BCC) a Fe g (FCC) para aleaciones
que contienen menos del 0.10% de C. La línea MP representa la frontera del
cambio de estructura cristalina por medio de la reacción peritéctica para
aleaciones entre 0.10 y 0.18% de C. Para aleaciones que contienen menos del
0.18% de C, al enfriar, el final del cambio de estructura está dado por la
línea NP. La línea PB representa el inicio y el fin de la reacción peritéctica
para composiciones entre 0.18 y 0.5% de C. En otras palabras, para aleaciones
entre 0.18 y 0.50% de C, el cambio alotrópico empieza y termina a temperatura
constante. Nótese que cualquier aleación que contenga más de 0.5% de C
solidificará en austenita directamente (a la derecha del punto B).
En el diagrama de más abajo se
muestra la reacción eutéctica. El punto E del diagrama, es el punto eutéctico,
de composición 4.3% de C y que ocurre a 2065ºF. La línea horizontal CED
representa la reacción eutéctica. Cuando una determinada aleación cruce esta
línea, la parte líquida que la compone debe solidificar en la mezcla de las dos
fases que estén en ambos extremos de la línea horizontal: austenita y carburo
de hierro (llamada cementita) en este caso. Esta mezcla eutéctica, como ya
explicamos, se llama ledeburita, y la ecuación puede escribirse como:
Líquido Þ Austenita + Cementita
(enfriamiento)
Ü (calentamiento)
La microestructura de esta mezcla
eutéctica generalmente no resulta visible debido a que la austenita no es
estable a temperatura ambiente y sufre varias reacciones durante el
enfriamiento.
Se puede observar que a 1666ºF
ocurre un cambio de estructura cristalina de Fe puro g (FCC) a a (BCC). El pequeño área a la
izquierda de la línea GH, es una solución sólida de una pequeña cantidad de
carbono disuelto en Fe a (BCC), y se llama ferrita.
El diagrama muestra una tercera línea horizontal HJK, que representa la
reacción eutectoide. El punto eutectoide, J, está situado a 0.80% de C y a
1333ºF. Cualquier porción de austenita presente se transformará en una fina
mezcla eutectoide de ferrita y cementita, llamada perlita. La ecuación que
describe la reacción eutectoide es:
Líquido Þ Ferrita + Cementita
(enfriamiento)
Ü (calentamiento)
Por debajo de la línea eutectoide, la aleación consistirá
en una mezcla de ferrita y cementita conforme indica el diagrama. Si se toma
como base el contenido de carbono, es práctica común dividir el diagrama
hierro-carburo en dos partes: aquellas aleaciones que contienen menos del 2% de
carbono se conocen como aceros, y aquellas que contienen más del 2% se conocen
como hierros fundidos. El intervalo de aceros se subdivide aún más en base al
contenido de carbono eutectoide (0.8% de C). Así, los aceros que contienen
menos del 0.8% de C se llaman aceros hipoeutectoides, en tanto que los que
tienen entre 0.8 y 2% de C se llaman hipereutectoides. El intervalo de hierros
fundidos también puede subdividirse por el contenido de carbono eutéctico (4.3%
de C). De esta forma tenemos que los hierros fundidos con composición de C
< 4.3%, se conocen como hierros
fundidos hipoeutécticos, y de la misma manera por oposición, existen los
hipereutécticos.
PROCESO DE ENFRIAMIENTO LENTO DEL ACERO.
Estudiaremos los cambios que se
producen en la región de los aceros, cuando sometemos al sistema a procesos de enfriamiento
lento desde una estructura austenítica inicial. A partir de la figura 7.10
tenemos una muestra de acero
hipoeutectoide que contiene 0.2% de C. En el intervalo austenítico, la aleación
consiste en una solución sólida intersticial uniforme. Cada grano contiene 0.2%
de C disuelto en los espacios de la estructura reticular de hierro FCC. Al
enfriarse lentamente no sucede nada destacable hasta que la línea GJ se
intercepta en el punto X1. Esta línea se conoce como línea de
temperatura crítica superior del lado hipoeutectoide, y se designa como A3.
El cambio alotrópico de Fe FCC a Fe BCC tiene lugar a 1666ºF para Fe puro y
disminuye en temperatura con el aumento del contenido de carbono, como lo
muestra la línea A3; por tanto, en X1, la ferrita debe empezar
a formarse en las frontera de grano de la austenita. Como la ferrita puede
disolver muy poco carbono, en aquellas áreas que cambien a ferrita, el carbono
debe salir de la solución antes de que los átomos se reajusten por sí mismos a la estructura BCC. El carbono que sale de
la solución es disuelto en la austenita restante, así que, conforme el
enfriamiento avanza y la cantidad de ferrita aumenta, la austenita restante se
hace más rica en carbono. El contenido en carbono se desplaza gradualmente a lo
largo de línea A3. Finalmente, la línea HJ se alcanza en el punto X2.
Esta línea se conoce como línea de temperatura crítica inferior en el lado
hipoeutectoide y se designa como A1. La línea A1 es la de
temperatura eutectoide y constituye la mínima temperatura a la que puede
existir el hierro FCC bajo condiciones de equilibrio. Precisamente por encima
de línea A1, la microestructura consta de aproximadamente 25% de
austenita y 75% de ferrita. Toda la austenita presente (que contiene el 0.8% de
C) experimenta ahora la reacción eutectoide expuesta anteriormente. Darse cuenta que la austenita cambia al
interceptarse la línea A1 ;por tanto cuando la reacción se ha
completado, la microestructura final mostrará aproximadamente un 25% de perlita
y un 75% de ferrita.
Vamos a considerar la reacción
eutectoide con más detalle. La austenita cambia a ferrita y esta es una
solución sólida intersticial en la que cada grano disuelve 0.8% de C en Fe FCC;
sin embargo la ferrita es Fe BCC y disuelve muy poco carbono, de modo que el
cambio de estructura cristalina no puede ocurrir hasta que los átomos de
carbono salgan de la solución. Por tanto, el primer paso es precipitar los
átomos de carbono para formar placas de cementita (carburo de hierro). En el
área adyacente a la placa de cementita, el hierro se vacía de carbono y los
átomos se reagrupan por sí mismos para formar ferrita BCC. A cada lado de la
placa de cementita se forman delgadas capas de ferrita. El proceso continua con
la formación de capas alternas de cementita y ferrita para la mezcla en forma
de huella dactilar conocida como perlita. La reacción generalmente comienza en
la frontera de grano de austenita, con la perlita creciendo a lo largo de la
frontera y dentro del grano.
Los cambios descritos serían
similares para cualquier acero hipoeutectoide, la única diferencia estaría en
la cantidad relativa de ferrita y perlita. De esta forma, cuanto más próximos
nos hallemos de la composición eutectoide (0.8% de C), más perlita tendremos en
la microestructura. Así, la microestructura de un acero al 0.4% de C lentamente
enfriado muestra aproximadamente un 50% de perlita, en tanto que la composición
eutectoide (0.8% de C) muestra un 100% de perlita.
Las propiedades mecánicas de una aleación
dependen de las características individuales de cada una de las fases que la
componen y de la forma en que estas últimas estén ordenadas para formar la
estructura. Sabemos que la ferrita es relativamente suave, con baja resistencia
tensil, en tanto que la cementita es dura, con muy baja resistencia tensil.
Podremos deducir pues, que la combinación de estas dos fases en la forma
eutectoide (perlita), producirá una aleación de resistencia tensil mucho mayor
que la de cualquiera de las fases individuales. Como la cantidad de perlita
aumenta con un incremento en el contenido de carbono para aceros
hipoeutectoides, la resistencia y la dureza Brinell también aumentará hasta la
composición eutectoide. La ductilidad, expresada por el porcentaje de elongación
y reducción de área, y la resistencia al impacto disminuyen al aumentar el
contenido de carbono.
Efectos del contenido de carbono sobre
las propiedades mecánicas
de un acero trabajado en caliente.
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Efectos de pequeñas cantidades de otros
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