ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL

FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA

CIENCIA DE MATERIALES

DIAGRAMA HIERRO CARBONO

El estado actual del diagrama de equilibrio de las aleaciones hierro-carbono fue establecido como resultado de las investigaciones hechas por varios científicos. La elaboración de este diagrama fue empezada por D. Chernov, quien estableció en 1968 los puntos críticos del acero. Más tarde volvió a estudiar reiteradamente este diagrama. N. Gutovski, M. Wittorft, Roberts Austen, Roozebom hicieron una gran aportación al estudio de este diagrama. Los últimos datos acerca del diagrama están expuestos en las obras de I. Kornilov.

Las aleaciones hierro-carbono pertenecen al tipo de aleaciones que forman una composición química.

El carbono se puede encontrar en las aleaciones hierro-carbono, tanto en estado ligado (Fe3C), como en estado libre (C, es decir, grafito), por eso, el diagrama comprende dos sistemas:

Para estudiar las transformaciones que tienen lugar en aceros y fundiciones blancas se emplea el diagrama Fe-Fe3C, y para estudiar fundiciones grises, ambos diagramas (Fe-Fe3C y Fe-C).

La temperatura a que tienen lugar los cambios alotrópicos en el hierro está influida por elementos de aleación, de los cuales el más importante es el carbono. En la figura # 01 muestra la porción de interés del sistema de aleación hierro - carbono. Esta la parte entre hierro puro y un compuesto intersticial, carburo de hierro,
, que contiene 6.67 % de carbono por peso; por tanto, esta porción se llamará diagrama de equilibrio hierro - carburo de hierro. Este no es un verdadero diagrama de equilibrio, pues el equilibrio implica que no hay cambio de fase con el tiempo; sin embargo, es un hecho que el compuesto carburo de hierro se descompondrá en hierro y carbono (grafito).

Las reacciones eutéticas y eutectoides difieren entre sí, en más de un aspecto importante. Las reacciones eutéticas implican el paso de una fase líquida a dos fases sólidas mientras que las reacciones eutectoides se efectúa totalmente dentro del estado sólido. La siguiente es una expresión general de la reacción eutectoide:

ððððγðcalor

en donde ð, ð y γ son fases sólidas y, a menudo, soluciones sólidas.

La reacción eutectoide más importante es la que se produce en los aceros. Es necesario contar con la comprensión definida de las reacciones eutéticas y las eutectoides, para poder entender lo referente a los aceros al carbono y para estar capacitados para interpretar debidamente el diagrama del hierro carburo de hierro que es, probablemente, el más importante de todos los diagramas de equilibrio de los metales.

Figura # 01

La figura # 01 se ilustra con un diagrama simplificado del hierro carburo de hierro. Como indica el nombre de este diagrama, se considera que los componentes son hierro y carburo de hierro, sin embargo es más conveniente representar la composición en relación con el porcentaje de carbono, más que por el carburo de hierro (Fe3C). Si el diagrama hierro carburo de hierro se divide en dos partes, una superior a 1700 ºF (927 ºC) y la otra inferior a esta misma temperatura, es evidente que la primera se relaciona con una reacción eutética, y la segunda, con una reacción eutectoide.

Las fases y sus constituyentes que se encuentra en el diagrama del hierro carburo de hierro, se indican en las áreas correspondientes de la Figura #01. Las fases que pueden encontrarse en condiciones de equilibrio son las líquidas, hierro ð, hierro γ y cementita (otra fase, hierro δ, no se considera en el diagrama simplificado de la figura # 01). La fase líquida puede consistir en cualquier combinación de hierro y carburo, dentro de los límites de composición del diagrama. La cementita o carburo de hierro (Fe3C), es un compuesto químico de hierro y carbono que tiene 6.7 por ciento de este último elemento. Es uno de los componentes del sistema y, como tal, limita la cantidad de carbono que puede estar presente (100 por ciento de cementita equivale a 6.7 por ciento de carbono). La cementita es una fase extremadamente dura y frágil de una estructura cristalina compleja; no disuelve cualquier cantidad mensurable de carbono. El otro componente del diagrama, el hiero, existe e dos alótropos sólidos o formas definidas de cristal. El hierro alfa, que es el alótropo a la temperatura ambiente, tiene una estructura cúbica centrada en el cuerpo, que se conoce también con el nombre de ferrita y constituye una fase suave y dúctil. El hierro gamma, o austenita tiene una estructura cúbica centrada en las caras y a veces se considera que es menos dúctil y ligeramente más dura que la ferrita, aunque, en realidad, no puede efectuarse una comparación verdadera. El hierro gama existe a temperaturas superiores a las que se encuentra el hierro alfa. Ambos tipos de hierro disuelven al carbono y los símbolos ð y γ se usan para representar, tanto al hierro puro, como a las soluciones sólidas de carbono en el hierro. Es conveniente hacer notar que, aunque el hierro gamma contiene hasta 2.0 por ciento de carbono, el hierro alfa puede disolver sólo 0.03 por ciento de carbono.

Las fases mencionadas arriba son también constituyentes. Además de éstos, existen otros dos constituyentes, la ledeburita y la perlita. La primera es el nombre que se da a la composición eutética sólida; se presenta únicamente en el hierro colado y, después de la transformación que se lleva a cabo al enfriarse a la temperatura ambiente, adquiere el aspecto moteado que se ilustra en la figura # 02(b). La lebedurita transformada consiste en colonias de perlita en una red continua (llamada matriz) de cementita.

La perlita es un constituyente muy importante que se encuentra tanto en el acero como en el hierro colado. En la figura # 02 (a) se muestra la estructura eutectoide, que se compone de capas alternas de ferrita y cementita. La perlita tiene valores de dureza y ductilidad intermedios a los de la ferrita y la cementita.

Figura # 02

Enfriamiento lento de las aleaciones de hierro y carbono. Estudie el siguiente enfriamiento lento de varias aleaciones distintas de hierro y carbono, en las que existe una correlación entre las propiedades y la microestructura. Vea figura #03.

Figura # 03

Cuando un acero contiene 0.3 por ciento de carbono, se enfría desde una temperatura superior a 2800 ºF (1540 ºC), la solidificación comienza a unos 2775 ºF (1524 ºC), con la formación de una solución sólida que contiene casi 0.10 por ciento de carbono. Al reducirse más todavía la temperatura, se forma una mayor cantidad de sólidos y va quedando menos líquido, hasta finalmente se solidifica del todo. La austenita sólida tiene la misma composición del líquido del que se formó, y contiene 0.3 por ciento de carbono. A 1550 ºF (843 ºC), se producen cristales homogeneos equiaxiales de austenita, como se demuestra en la figura #03 (b) (4). A unos 1500 ºF (816 ºC), una nueva fase, la ferrita, comienza a precipitarse de los granos de austenita. A formación de núcleos de la nueva fase aparece principalmente en los límites de los antiguis granos de austenita (Este es un modo común de comportamiento. Bajo condiciones de equilibrio, generalmente se forman nuevas fases en el límite de los granos de aquellas que están presentes. En este ejemplo a la nueva fase se le llama proeutectoide por que ésta sobre enfriamiento, a prior de la formación de la estructura eutectoide. En aceros hipoeutectoides, la ferrita es proeutectoide; en aceros hipereutectoides, la cementita es proeutctoide.) conforme la temperatura se acera a 1333 ºF (724 ºC), aumenta la cantida de ferrita y su composiciónvaría hacia el 0.03 por ciento de carbono. Al mismo tiempo, la cantidad de austenita se reduce y su composcición se acerca al 0.8 por ciento de carbono. A 1400 ºf(760 ºC), la austenita tiene una composición de de 0.6 por ciento de carbono y la ferrita 0.02 por ciento de carbono. De acuerdo con el principio de la palanca, el porcentaje de austenita es (0.28/0.58)*100=48% γ, y el porcentaje de ferrita es (0.30/0.58)*100=52% ð. A 1334 ºF (725 ºC), la estructura se compone del 36 por ciento de γ que contiene 0.8 por ciento de carbono y 64 por ciento de ð que, a su vez, contiene 0.03 por ciento de carbono. A 1333 ºF (724 ºC), la austenita restante experimenta una transformación en la estructura eutectoide conocida con el nombre de perlita. La perlita se froma siempre a partir de la austenita a 1333 ºF (724 ºC) en condiciones de equilibrio. Puesto que a sta temperatura la austenita contiene invariablemente 0.8 por ciento de carbono, la perlita en la que se transforma contiene siempre 0.8 por ciento de carbono. La perlita se compone de 88 por ciento de alfa y 12 por ciento de cementita. La composición de la perlita puede determinarse mediante el uso de a regla de la palanca, utilizando 0.8 por ciento de carbono como la ubicación del punto de apoyo, 0.02 por ciento de carbono como la composición de ð y 6.7 por ciento de carbono como la composición de la cementita. Así pues, a temperaturas inferiores a 1333 ºF (724ºC), la estructura final correspondiente a una composición total de 0.3 por ciento de carbono consiste en una fase ð grande (64 por ciento) y continua, y una cantidad más pequeña (36 por ciento) de perlita. La cantidad de perlita es la misma que la de austenita de la que se formó: esto es, γ, que existía a temperaturas levemente superiores a 1333 ºF (724ºC). Está presente en la aleación que estamos estudiando, como islas de perlita aisladas en un mar de ferrita. Estas islas se denominan con frecuencia colonias de perlita y el mar, matriz. La microestructura que existe inmediatamente después de la transformación de la austenita en perlita, se mantiene básicamente invariable al efriarse a la temperatura ambiente.

Cuando la composición total es del 0.8 por ciento de carbono, la solidificación se inicia alrededor de los 2700 ºF (1485 ºC) y concluye aproximadamente 2500 ºF (1370 ºC). A una temperatura muy levemente superior a 1333 ºF (724 ºC), la estructura consiste en cristales homogéneos de austenita que contienen 0.8 por ciento de carbono. A exactamente 1333 ºF (724 ºC), la austenita se transforma en una estructura totalmente perlítica cuya composición y forma es la anteriormente descrita. En condiciones que se acercan al equilibrio, la transformación de austenita en perlita se produce a una temperatura constante. Para esta composición en particular (0.8 por ciento de carbono), no existe una fase continua masiva correspondiente la ferrita de aleación de 0.3 por ciento de carbono. Es este caso, como en los de enfriamiento equilibrado, la perlita consta de 88 porciento de alfa y 12 por ciento de cementita y contiene 0.8 por ciento de carbono.

Al enfriar acero derretido que contiene 1.1 por ciento de carbono, la solidificación se inicia a aproximadamente 2675 ºF (1470 ºC). A 1500 ºF (816 ºC), la austenita homogénea comienza a precipitar cementita en los límites de los granos. La formación de la nueva fase sigue el mismo patrón que la precipitación de la ferrita en la austenita: la mayor parte de la formación de núcleos se registra alrededor de los límites de los granos. Es así como se forma la red de cementita que rodea los límites de grano, conforme sale de la solución una cantidad cada vez mayor de cementita. A una tempertatura de 1334 ºF (725 ºC), la estructura se compone de un 95 por ciento de γ y 5 por ciento de Fe3C. Estos porcentajes se determinan mediante la aplicación de la regla de la palanca:

Cantidad de γ = [ (6.7-1.1) / 6.7-0.8) ] * 100 = 95 por ciento

La cantidad de Fe3C es:

Fe3C = [ (1.1 - 0.8) / (6.7 - 0.8)] * 100 = 5 por ciento

Al descender la temperatura por debajo de 1333 ºF (724 ºC), la austenita se transforma en perlita como siempre lo hace a esta temperatura. La red de cementita no se ve afectada por la disminución de temperatura; por lo tanto, la estructura final se compone del 95 por ciento de perlita rodeada de una red delgada de cementita. Puesto que la perlita que se forma lentamente tiene siempre la misma composición y estructura, debe contener 88 por ciento de alfa y 12 por ciento de cementita.

Veamos el enfriamiento de una aleación derretida de hierro y carbono que contiene 2.5 por ciento de carbono. En esta aleación los núcleos de austenita comienzan a formarse a aproximadamente 2425 ºF (1330 ºC), como puede observarse en la figura # 03. Conforme se desarrolla el enfriamiento, aumenta la cantidad de sólidos hasta que, ligeramente por encima de 2066 ºF (1130ºC), la masa consta de 78 por ciento de gamma y 22 por ciento de líquido. Este contiene 4.3 por ciento de carbono y se conoce como la composición eutética. Al disminuir la temperatura por debajo de 2066 ºF (1130 ºC), la red líquida se solidifica para formar el sólido eutético, ledeburita. Para esta y otras aleaciones similares, el sólido eutético se compone de núcleos de austenita rodeados por una matriz de cementita como se muestra en la figura #02 (b) y en el bosquejo de la figura # 03. Conforme avanza el enfriamiento, la austenita precipita a la cementita, tanto en la fase primaria, como en la eutética. Esto puede determinarse a partir del diagrama de hierro y carburo de hierro, que muestra que aunque la austenita puede disolver 2.0 por ciento de carbono a 2066 ºF (1130 ºC), solo se puede disolver 0.8 por ciento de carbono a 1333 ºF (724 ºC). A 1333 ºF (724 ºC), la austenita se transforma en perlita. Así pues, la estructura final se compone de grandes colonias de perlita (de cristales primarios de austenita) además de pequeñas colonias de perlita (de austenita eutética), en una matriz de cementita eutética. Las pequeñas colonias de perlita y la cementita que la rodea, producen la estructura eutética que se conoce como ledeburita. La aleación que acabamos de describir tiene una estructura típica del hierro colado blanco.

No se analiza la estructura de las aleaciones hipereutéticas, debido a que no se encuentran normalmente en la práctica.

Correlación de las propiedades y la estructura de las aleaciones de hierro y carbono enfriadas lentamente. El examen de la figura # 03 muestra que las propiedades mecánicas de las aleaciones de hierro y carbono varían ligeramente y continuamente con los cambios en el contenido de carbono. De hecho, tanto la estructura, como las propiedades dependen de dicho contenido de carbono. Al aumentar el contenido de este último, disminuye la cantidad de ferrita libre, hasta llegar al 0.8 por ciento de carbono no queda nada de este compuesto y la estructura se compone solo de eutectoide. Mas allá del 0.8 por ciento de carbono, la fase continua es de cementita dura y quebradiza. Cuando la composición es tal, que la fase continua es blanda y dúctil, la aleación tiende también a serlo; por otra parte, una fase continua dura y quebradiza dará como resultado una aleación de las mismas características. Además, tanto la cantidad, como la calidad de la fase continua, ejercen un efecto sobre las propiedades. Si aumenta la cantidad de ferrita blanda y dúctil, las aleaciones se hacen más blandas y dúctiles. Estas correlaciones entre las propiedades y la microestructura han producido una generalización importante aplicable a las aleaciones heterogéneas: las propiedades de una aleación heterogénea tienden a ser regidas por las propiedades y la cantidad de la fase continua. Las propiedades reciben también la influencia de la distribución de las fases (tanto continuas como discontinuas).

Solidificación de aceros

En su forma más simple, los aceros son aleaciones del hierro (FE) y del carbón (C). el diagrama de fase de Fe-C se muestra abajo, hasta alrededor del carbón 7%. Esto es un diagrama de fase bastante complejo pero, como estamos solamente interesados en los aceros parte del diagrama que podemos hacer algunas simplificaciones.

Los aceros han sido tan importantes para los ingenieros por tan muchos años que cada fase ha heredado un nombre así como una carta griega.

Figura # 04

La fase gamma se llama austenite. Austenite es una fase de alta temperatura y tiene una estructura cúbica centrada cara (FCC) [ que sea una estructura pila de discos cercana ].

La fase de la alfa se llama ferrita. La ferrita es un componente común en aceros y tiene una estructura cúbica centrada cuerpo (BCC) [ que pila de discos menos denso que la FCC ].

El FE3C se llama cementite y pasado (para nosotros), el " eutéctico como " la mezcla de alpha+cementite se llama pearlite.

Figura # 05

El problema se puede simplificar por las estadísticas para las dos puntas siguientes:

• Estamos considerando los aceros, y por lo tanto necesitamos solamente mirar el diagrama de fase de Fe-C hasta alrededor de 1.4%C

• Podemos no hacer caso de cambios muy de alta temperatura de la fase pues éstos no afectarán la aleación final - mirando el diagrama de fase, todas las aleaciones hasta 1.4%C deben refrescarse con la fase gamma (del austenite). Consideraremos tan las aleaciones abajo alrededor de 1000C

Figura # 06

El diagrama de fase muestra el diagrama de fase de Fe-C hasta alrededor de 1.4%C y de 1000C. Esto aparece causar un problema - no hay fase líquida pero de otra manera, en forma, el diagrama de fase parece nuestro diagrama de fase " estándar ". En hecho, aunque las reacciones ocurren en el de estado sólido pueden ser tratadas exactamente de la misma manera como si incluyeran el estado líquido.

Hay, aunque, una claúsula. La palabra eutéctica es substituida por el eutectoid de la palabra (eutéctico-como) para mostrar que la reacción está en el estado sólido

Figura # 07

La composición del eutectoid es Fe-0.83wt%C y en esta composición el austenite de alta temperatura experimentará la reacción del eutectoid en 723C:

• austenite > ferrite+cementite

• gamma > alfa + FE3C

La ferrita y el cementite crecen cooperativamente como mezcla laminar (pearlite).

(ver figura # 12)

Figura # 08

Una aleación de la composición Fe-1.3wt%C está a la derecha de la punta del eutectoid y así que se llama acero del hypereutectoid.

Pues el austenite cruza la línea de la fase en el t2 que algo del austenite transformará en cementite y así que el austenite restante llegará a ser más rico en hierro. Las consideraciones enérgias muestran que la forma de la voluntad del cementite (y ) en los límites de grano del austenite.

Cuando el acero alcanza la temperatura del eutectoid el austenite restante estará de composición del eutectoid y transforma en el pearlite (alpha+cementite).

Así pues, la microestructura final contendrá cementite en los límites de grano (favorable-eutectoid cementite) y el pearlite (eutectoid). (ver figura # 12).

Figura # 09

Las muestras del acero del hypereutectoid muestran normalmente menos favorable-eutectoid cementite en el borde que en el resto de la muestra. Esto es debido a la descarburación en las capas superficiales en las altas temperaturas (el carbón difunde de la superficie de la muestra).

Aunque esto es un efecto indeseado el efecto reverso se utiliza comúnmente. Un componente se pone en un ambiente carbón-rico caliente que anime la difusión del carbón en la superficie del acero, aumentando la dureza superficial. Se llama esto carburación del caso

Figura # 10

Las microestructuras de aceros varían considerablemente con el contenido del carbón, con el aumento de las cantidades del duro, quebradizas, cementite estando presente en aceros de un contenido más alto del carbón. Esta variación en microestructura conduce a los cambios significativos en características de la ingeniería, según lo mostrado en la figura.

Por ejemplo, la fuerza aumenta con el contenido del carbón hasta la composición del eutectoid pero después comienza a caer mientras que una red del grano-límite del cementite quebradizo se forma.

Figura # 11

Los diagramas de fase permiten que entendamos porqué las características de aceros cambian con el contenido del carbón que diferencia y nos permiten hacer los aceros con las características que requerimos.

Micrográfo de Fe-0.83wt%C

El espécimen metallographically ha estado preparado y grabado al agua fuerte en hervir el picrato alcalino del sodio (muy peligroso y explosivo!) qué manchas la superficie del cementite brown/black y hojas la ferrita unattacked

Figura # 12

BIBLIOGRAFÍA:

• MALISHEV, A.; Tecnología de los metales; Septima Edición; Mir Moscú; 1985.

• YU, M.; Metalografía y Tratamiento termoquímico de los Metales; Mir Moscú, Traducción del Ruso, 1977.

• SMITH, W.; Fundamentos de la Ciencia e Ingeniería de Materiales; Tercera Edición; Mac Graw Hill, 1998.

• http://www.babelfish.altavista.com/cgi-bin/translate?#page9