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.

 

 

               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

 

            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)

 

   PERLITA

 

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.   

 

               AUSTENITA

 

            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.

 

               MARTENSITA  

 

            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.

 

               BAINITA          

 

            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.

 

            LEDEBURITA

 

            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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