ACEROS: ALEACIONES HIERRO-CARBONO

El acero es una aleacin de hierro con una pequea proporcin de carbono, que comunica a aquel propiedades especiales tales como dureza y elasticidad. En general, tambin se pueden fabricar aceros con otros componentes como manganeso, niquel o cromo. El hierro es un constituyente fundamental de algunas de las ms importantes aleaciones de la ingeniera. El hierro es un metalalotrpico, por lo que puede existir en ms de una estructura reticular dependiendo fundamentalmente de la temperatura. Es uno de los metales ms tiles debido a su gran abundancia en la corteza terrestre (constituyendo ms del 5% de esta, aunque rara vez se encuentra en estado puro, lo ms normal es hallarlo combinado con otros elementos en forma de xidos, carbonatos o sulfuros) y a que se obtiene con gran facilidad y con una gran pureza comercial. Posee propiedades fsicas y mecnicas muy apreciadas y de la ms amplia variedad.

El hierro tcnicamente puro, es decir, con menos de 0.008% de carbono, es un metal blanco azulado, dctil y maleable, cuyo peso especfico es 7.87. Funde de 1536.5C a 1539C reblandecindose 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 fcilmente.

Aleaciones Fe-CDiagrama de equilibrio de las aleaciones Fe-CProceso de enfriamiento lento del acero

Tipos de aceros:FerritaCementitaPerlitaAustenitaMartensitaBainitaLedeburita

FORMAS ALOTRPICAS DEL HIERRO

El hierro cristaliza en la variedadalfahasta la temperatura de 768C. La red espacial a la que pertenece es la red cbica centrada en el cuerpo (BCC). La distancia entre tomos es de 2.86. El hierro alfa no disuelve prcticamente en carbono, no llegando al 0.008% a temperatura ambiente, teniendo como punto de mxima solubilidad a T=723C (0,02%).La variedadbetaexiste de 768C a 910C. Cristalogrficamente es igual a la alfa, y nicamente la distancia entre tomos es algo mayor: 2.9a 800C y 2905C a 900C.La variedadgammase presenta de 910C a 1400C. Cristaliza en la estructura FCC. El cubo de hierro gamma tiene ms volumen que el de hierro alfa. El hierro gamma disuelve fcilmente en carbono, creciendo la solubilidad desde 0.85% a 723C hasta 1.76% a 1130C para decrecer hasta el 0.12% a 1487C. Esta variedad de Fe es amagntico.

La variedaddeltase inicia a los 1400C, observndose, entonces una reduccin en el parmetro hasta 2.93, y un retorno a la estructura BCC. Su mxima solubilidad de carbono es 0.007% a 1487C. Esta variedad es poco interesante desde el punto de vista industrial. A partir de 1537C se inicia la fusin del Fe puro.

ALEACIONES HIERRO-CARBONO

El hierro puro apenas tiene aplicaciones industriales, pero formando aleaciones con el carbono (adems de otros elementos), es el metal ms utilizado en la industria moderna. A la temperatura ambiente, salvo una pequea parte disuelta en la ferrita, todo el carbono que contienen las aleaciones Fe-C est en forma de carburo de hierro( CFe3). Por eso, las aleaciones Fe-C se denominan tambin aleaciones hierro-carburo de hierro.

Las aleaciones con contenido de C comprendido entre 0.03% y 1.76% tienen caractersticas muy bien definidas y se denominanaceros. Los aceros de cualquier proporcin de carbono dentro de los lmites 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 sta una cualidad muy importante que los distingue. Si la proporcin de C es superior a 1.76% las aleaciones de Fe-C se denominan fundiciones, siendo la mxima proporcin 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 solucin slida de carbono en hierro alfa, su solubilidad a la temperatura ambiente es tan pequea que no llega a disolver ni un 0.008% de C. Es por esto que prcticamente se considera la ferrita como hierro alfa puro. La ferrita es el ms blando y dctil 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%. Adems de todas estas caractersticas, presenta propiedades magnticas. En los aceros aleados, la ferrita suele contener Ni, Mn, Cu, Si, Al en disolucin slida sustitucional. Al microscopio aparece como granos monofsicos, con lmites de grano ms irregulares que la austenita. El motivo de esto es que la ferrita se ha formado en una transformacin en estado slido, mientras que la austenita, procede de la solidificacin.

La ferrita en la naturaleza aparece como elemento proeutectoide que acompaa 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 direccin de los planos cristalogrficos de la austenita.CEMENTITA

Es carburo de hierro y por tanto su composicin es de 6.67% de C y 93.33% de Fe en peso. Es el constituyente ms duro y frgil de los aceros, alcanzando una dureza de 960 Vickers. Cristaliza formando un paraleleppedo ortorrmbico de gran tamao. Es magntica hasta los 210C, temperatura a partir de la cual pierde sus propiedades magnticas. Aparece como:-Cementita proeutectoide, en aceros hipereutectoides, formando un red que envuelve a los granos perlticos.

-Componente de la perlita laminar.

-Componente de los glbulos en perlita laminar.

-Cementita alargada (terciaria) en las uniones de los granos (0.25% de C)

PERLITAEs 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/mm2y un alargamiento del 15%. Cada grano de perlita est formado por lminas 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 ms borrosa y se denomina perlita sorbtica. Si la perlita laminar se calienta durante algn tiempo a una temperatura inferior a la crtica (723 C), la cementita adopta la forma de glbulos incrustados en la masa de ferrita, recibiendo entonces la denominacin de perlita globular.

AUSTENITA

Este es el constituyente ms denso de los aceros, y est formado por la solucin slida, por insercin, de carbono en hierro gamma. La proporcin de C disuelto vara desde el 0 al 1.76%, correspondiendo este ltimo porcentaje de mxima solubilidad a la temperatura de 1130 C.La austenita en los aceros al carbono, es decir, si ningn otro elemento aleado, empieza a formarse a la temperatura de 723C. Tambin puede obtenerse una estructura austentica en los aceros a temperatura ambiente, enfriando muy rpidamente una probeta de acero de alto contenido de C a partir de una temperatura por encima de la crtica, 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 austenticos, cuya estructura es austentica a la temperatura ambiente. La austenita est formada por cristales cbicos de hierro gamma con los tomos de carbono intercalados en las aristas y en el centro. La austenita tiene una dureza de 305 Vickers, una resistencia de 100 Kg/mm2y un alargamiento de un 30 %. No presenta propiedades magnticas.

MARTENSITA

Bajo velocidades de enfriamiento bajas o moderadas, los tomos de C pueden difundirse haca afuera de la estructura austentica. De este modo, los tomos de Fe se mueven ligeramente para convertir su estructura en una tipo BCC. Esta transformacin gamma-alfa tiene lugar mediante un proceso de nucleacin y crecimiento dependiente del tiempo (si aumentamos la velocidad de enfriamiento no habr tiempo suficiente para que el carbono se difunda en la solucin y, aunque tiene lugar algn movimiento local de los tomos de Fe, la estructura resultante no podr llagar a ser BCC, ya que el carbono est atrapado en la solucin). La estructura resultante denominada martensita, es una solucin slida sobresaturada de carbono atrapado en una estructura tetragonal centrada en el cuerpo. Esta estructura reticular altamente distorsionada es la principal razn para la alta dureza de la martensita, ya que como los tomos en la martensita estn empaquetados con una densidad menor que en la austenita, entonces durante la transformacin (que nos lleva a la martensita) ocurre una expansin que produce altos esfuerzos localizados que dan como resultado la deformacin plstica de la matriz.

Despus de la cementita es el constituyente ms duro de los aceros. La martensita se presenta en forma de agujas y cristaliza en la red tetragonal. La proporcin de carbono en la martensita no es constante, sino que vara hasta un mximo de 0.89% aumentando su dureza, resistencia mecnica y fragilidad con el contenido de carbono. Su dureza est en torno a 540 Vickers, y su resistencia mecnica vara de 175 a 250 Kg/mm2ysu alargamiento es del orden del 2.5 al 0.5%. Adems es magntica.

BAINITA

Se forma la bainita en la transformacin isoterma de la austenita, en un rango de temperaturas de 250 a 550C. El proceso consiste en enfriar rpidamente la austenita hasta una temperatura constante, mantenindose dicha temperatura hasta la transformacin 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 fundicin lquida de carbono (de composicin alrededor del 4.3% de C) desde 1130C, siendo estable hasta 723C, decomponindose a partir de esta temperatura en ferrita y cementita

6.1. Constituyentes de los aceros

FERRITA (Fe)Es una solucin slida de carbono en hierro alfa.Su solubilidad a la temperatura ambiente es del orden de 0.008% de carbono, por lo que se considera hierro puro. La mxima solubilidad de carbono en el hierro alfa es de 0.02% a723C.

Imagen 55.u.t.p..Copyright.

La ferrita es la fasems blanda y dctilde los aceros, cristaliza en la red BCC, tiene una dureza de 90 Brinell y una resistencia a la traccin de 28 kg/mm2, llegando hasta un alargamiento del 40%.Al microscopio se observa como granos poligonales claros.La ferrita tambin aparece como elementoeutectoidede la perlita formando lminas paralelas separadas por otras lminas de cementita.En los aceros hipoeutectoides templados, puede aparecer mezclada con la martensita cuando el temple no ha sido bien efectuado.

CEMENTITA (Fe3C)Es carburo de hierro Fe3C y contiene 6.67% C.Es el microconstituyentems duro y frgilde los aceros, alcanzando una dureza Brinell de 700 (68 Rc) y cristaliza en la red ortorrmbica.

Imagen 56.Wikipedia.Creative Commons.

PERLITAEs el microconstituyenteeutectoideformado por capas alternadas de ferrita y cementita.Compuesta por el 88 % de ferrita y 12 % de cementita, contiene el 0.8%C.Tiene una dureza de 250 Brinell, resistencia a la traccin de 80 kg/mm2y un alargamiento del 15%.La perlita aparece en general en el enfriamiento lento de la austenita y por la transformacin isotrmica de la austenita en el rango de650 a723C.Su nombre se debe a las irisaciones que adquiere al iluminarla, parecidas a las perlas.

Imagen 57.Wikipedia.Creative Commons.

Si el enfriamiento es rpido (100-200C/seg.), la estructura es poco definida y se denominaSORBITA.Si la perlita laminar se somete a un recocido a temperatura prxima a723C, la cementita adopta la forma de glbulos incrustados en la masa de ferrita, denominndose perlita globular.

AUSTENITAEs el constituyentems densode los aceros y est formado por una solucin slida por insercin de carbono en hierro gamma.

La cantidad de carbono disuelto, vara de 0.8% al 2% C que es la mxima solubilidad a la temperatura de1130C. No es estable a la temperatura ambiente.

La austenita cristaliza en la red FCC, con una dureza de 300 Brinell, una resistencia a la traccin de 100 kg/mm2y un alargamiento del 30 %, no es magntica.

Imagen 58.u.t.p..Copyright.

MARTENSITAEs el constituyente de losaceros templados; est conformado por una solucin slida sobresaturada de carbono o carburo de hierro en ferrita y se obtiene por enfriamiento rpido de los aceros desde su estado austentico a altas temperaturas.

El contenido de carbono suele variar desde muy poco carbono hasta el 1% de carbono, sus propiedades fsicas varan con su contenido en carbono hasta un mximo de 0.7%C.

Imagen 59.Wikimedia.Creative Commons.

La martensita tiene una dureza de50 a68 Rc, resistencia a la traccin de170 a250 kg/mm2y un alargamiento del 0.5% al 2.5%.Es muy frgil y presenta un aspecto acicular formando grupos en zigzag con ngulos de 60 grados.

TROOSTITAEs un agregado muy fino de cementita y ferrita que se produce por un enfriamiento de la austenita con una velocidad de enfriamiento ligeramente inferior a la crtica de temple, por transformacin isotrmica de la austenita en el rango de temperatura de500Ca600C, o porrevenidoa400C.

Sus propiedades fsicas son intermedias entre la martensita y la sorbita: tiene una dureza de400 a500 Brinell, una resistencia a la traccin de140 a175 kg/mm2y un alargamiento del 5 al 10%.

Es un constituyente nodular oscuro y aparece generalmente acompaando a la martensita y a la austenita.

Imagen 60.Wikimedia

HYPERLINK "http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Troostit.jpg" \n _blank.Creative Commons.

SORBITAEs tambin un agregado fino de cementita y ferrita.

Se obtiene por enfriamiento de la austenita con una velocidad de enfriamiento bastante inferior a la crtica de temple o por transformacin isotrmica de la austenita en la zona de600Ca650C, o porrevenidoa la temperatura de600C.

Su dureza es de250 a400 Brinell, su resistencia a la traccin es de88 a140 kg/mm2, con un alargamiento del 10 al 20%.

Tanto la trostita como la sorbita pueden considerarse como perlita de grano muy fino.

BAINITAEs el constituyente que se obtiene en la transformacin isotrmica de la austenita cuando la temperatura del bao de enfriamiento es de250Ca500C.

Se diferencian dos tipos de estructuras:

labainita superiorde aspecto arborescente formada a 500C-580C.

labainita inferior, formada a 250C-400Ctiene un aspecto acicular similar a la martensita y constituida por agujas alargadas de ferrita que contienen delgadas placas de carburos.

La bainita tiene una dureza variable de40 a60 Rc comprendida entre las correspondientes a la perlita y a la martensita.

Los constituyentes que pueden presentarse en los aceros aleados son los mismos de los aceros al carbono, aunque la austenita puede ser nico contituyente y adems pueden aparecer otros carburos simples y dobles o complejos.

En resumen: Austenita. Es una solucin slida de carburo de hierro, dctil y tenaz, blanda, poco magntica y resistente al desgaste. Bainita. Es una mezcla difusa de ferrita y cementita, que se obtiene al transformar isotrmicamente la austenita a una temperatura de 250 500 C. Martensita. Es el constituyente de los aceros cuando estn templados, es magntica y despus de la cementita es el componente ms duro del acero. Ferrita. Es hierro casi puro con impurezas de silicio y fsforo (Si-P). Es el componente bsico del acero. Cementita. Es el componente ms duro de los aceros con dureza superior a 60HRC con molculas muy cristalizadas y por consiguiente frgil. Perlita. Compuesto formado por ferrita y cementita, es el constituyente del eutctico.

La ferrita:

Es el constituyente ms blando de los aceros.

Es el constituyente eutctico de los aceros.

Se considera hierro puro.

La austenita:

Es un constituyente de equilibrio.

Se encuentra a la izquierda en el diagrama Fe-C.

Es el constituyente ms frgil de los aceros.

La perlita:

Es el constituyente eutctico de los aceros.

Est formada por ferrita y cementita.

Se puede transformar en sorbita.

Diagrama Fe-C

Una de las cosas que constat el protagonista de nuestra historia es que muchos materiales son de hierro y carbono.

Y que adems el hierro y el carbono se pueden encontrar de muy diferentes formas y con muy diferentes propiedades.

Existen dos tipos de aleaciones tcnicas de gran importancia: los aceros y las fundiciones. Ambas son aleaciones de hierro y carbono de distinta composicin.Clasificacin de los aceros al carbono de acuerdo a la su composicin.Losacerosal carbono se presentan con un contenido de hasta 2,14%C y lasfundicionesdesde este valor hasta 6,67%C, aunque en la prctica hasta 5%, ya que con mayor concentracin de carbono se obtienen productos tan duros que no se pueden mecanizar.

Los aceros adems de tener Fe y C poseen impurezas como Si, Mn, P y S.

Vamos a conocer el diagrama Fe-C (hierro - carbono).En realidad debera llamarse diagrama Fe - Cementita, ya que en el extremo izquierdo del diagrama veremos que en la lnea de concentraciones se encuentra el Fe puro (con una concentracin del 100%), mientras que en el extremo derecho de la misma lnea se encuentra el 100% de cementita (Fe3C), y el 100% de cementita se corresponde a un 6.67% de carbono.

Este es el motivo, por el que el eje de concentraciones del diagrama Fe-C va desde el 0% al 6.67% de C

Diagrama Fe-C

Imagen 48.Isftic. Creative Commons.

En este diagrama observamos:

La lnea de liquidus, lnea ABCD.

La lnea de solidus, lneaAHJECF.

Como el hierro adems de formar con el carbono el compuesto qumico Fe3C, tiene dos transformaciones alotrpicasay , en el sistema existen los siguientes constituyentes: Lquido:Solucin lquida de carbono en hierro. Existe por encima de la lnea del lquido y se designa por L. Cementita:Fe3C, existe en la vertical DFKL se designa por su frmula qumica (Fe3C) o por C. Ferrita:Constituyente estructural que es Fea, el cual disuelve el carbono en cantidades insignificantes. Se representa por Fea. La regin de la ferrita en el diagrama hierro carbono se encuentra a la izquierda de las lneas GPQ, y AHN. Austenita:Estructura consistente en una solucin slida de carbono en Fe.La regin de la austenita es NJESG. Se designa por A, Fe.

La introduccin del carbono en el Fe modifica las propiedades de este de forma muy significativa y es necesario conocer que ocurre en los aceros al aumentar el % de C. La primera clasificacin de los aceros la realizaremos de acuerdo a su estructura de equilibrio. Hipoeutectoides:Menos de 0.8%C (estructura de ferrita y perlita). Eutectoides: 0.8%C (estructura de perlita). Hipereutectoides:Mas de 0.8%C y menos de 2.14%C (estructura de cementita y perlita).

Segn aumenta el contenido de carbono se produce una deformacin mayor en las redes cristalinas, en las soluciones slidas y da lugar a la aparicin de cementita (Fe3C), constituyente muy duro y frgil, en mayor cantidad. Adems la cementita se sita en elborde del granolo que tiende a fragilizar la estructura del acero de un0,9 a1,2%, lo que hace que la resistencia que iba en aumento hasta el momento disminuya mientras que la dureza siempre va a aumentar, reducindose la resiliencia y el alargamiento relativo.

Es importante tambin la influencia del carbono en la tenacidad de los aceros. El aumento del contenido de carbono eleva el umbral de fragilidad en fro y hace que disminuya laresilienciaen la regin de tenacidad.

Anlisis de las transformaciones estructurales en los aceros y fundicionesEn las grficas siguientes se puede observar las transformaciones estructurales que se van produciendo a lo largo del enfriamiento de distintas lneas de concentracin del diagrama Fe-C, indicando los constituyentes presentes en cada zona, con microfotografas que muestran el aspecto de cada uno de ellos.

Imagen 49.Isftic. Creative Commons.Imagen 50.Isftic. Creative Commons.

Imagen 51.Isftic. Creative Commons.Imagen 52.Isftic. Creative Commons.

Imagen 53.Isftic. Creative Commons.Imagen 54.Isftic. Creative Commons.

En la siguiente web puedes ver una animacin e intentar un cuestionario sobre el ciclo del acero. Si no se abre intenta pulsandoaqu:

HYPERLINK "http://www.apta.com.es/otua/otuaesp.html" \n _blankABRIR