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DIAGRAMA HIERRO-CABONO (Ejercicios y Problemas) ALUMNO: ZAMUDIO ORBESO ROY ROGER P1/ Problema A Sean: Cpe: cementita primaria o proeutéctica Ce: cementita eutéctica C’pe: cementita secundaria o proeutectoide p: perlita C’e: cementita eutectoide o que forma parte de la perlita CV: cementita terciaria...

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DIAGRAMA HIERRO-CABONO (Ejercicios y Problemas)

ALUMNO: ZAMUDIO ORBESO ROY ROGER

P1/ Problema A Sean: Cpe: cementita primaria o proeutéctica Ce: cementita eutéctica C’pe: cementita secundaria o proeutectoide p: perlita C’e: cementita eutectoide o que forma parte de la perlita CV: cementita terciaria o vermicular CT: cementita total Fpe: ferrita proeutectoide Fe: ferrita eutectoide Se pide: 1°- Determinar los porcentajes en peso de estos valores en una aleación férrea, binaria, de 3.5 % de carbono. 2°- Curva de solidificación y enfriamiento de equilibrio (T, t) de una aleación 0.45 % de carbono, hasta la temperatura ambiente, señalando sobre dicha curva las temperaturas en que se rompe el equilibrio, y las fases presentes a esas temperaturas. 3°- Después de un normalizado, la estructura de ese acero de 0.45 % de carbono, resultó ser 100 % perlítica. Determinar el porcentaje de ferrita que tiene esa perlita diluida. 4°- Comparando el acero de 0.45 % C con la aleación del apartado 1° y 2° -de 3.5 %C- señalar, razonadamente, cuál de estas dos aleaciones es más propensa al agrietamiento por temple en agua. 5°- Comparando dos piezas iguales de aceros de 0.45 % C -uno aleado y otro no- indicar, razonándolo, cuál de las dos presentará más austenita residual tras temple en aceite. 6°- ¿Cuál es la temperatura límite, más alta, a la que puede efectuarse un revenido del acero no aleado de 0.45 % de carbono? 7°- Justificar por qué - o por qué no- es necesario austenizar un acero, por ejemplo, de 0.1 %C, si se desea incrementar periféricamente su contenido en carbono mediante una adecuada atmósfera carburante. 8°- Contenido máximo de carbono que podría llegar a alcanzar la austenita a 930 ºC en esa atmósfera carburante.

1.-Determinar el contenido, de los microconstituyentes de la derecha, en una aleación Fe-3.5 %C.

3.5 %C T´e

Te

Sean: Cpe: cementita primaria o proeutéctica Ce: cementita eutéctica C’pe: cementita secundaria o proeutectoide p: perlita C’e: cementita eutectoide o que forma parte de la perlita CV: cementita terciaria o vermicular CT: cementita total Fpe: ferrita proeutectoide Fe: ferrita eutectoide Reacción eutéctica L(4.3 %C)  (0.0218 %C)  Fe3C(6.67 %C)

Cpe: es la que precipita a partir del líquido, en este caso Cpe = 0, ya que lo que aparece es γ primaria (Fundición hipoeutéctica).

Ce: es la que aparece fruto de la reacción eutéctica. Se calcula en el segmento eutéctico, mediante la regla de los segmentos inversos

Ce 

%C  2.11 3.5  2.11 100  100  30.5 % 6.67  2.11 6.67  2.11

Cpe = 0 % Ce = 30.5 %

C’pe: es la que precipita al bajar la solubilidad del C en la fase  al bajar la temperatura, entre T’e y Te C(TTe) 

%C  0.77 3.5  0.77 100  100  46.27 % 6.67  0.77 6.67  0.77

Por otro lado se verifica que: CT= Te+ = Ce+C’pe:, es decir: 46.27 = 30.5 + C’pe , luego C’pe = 15.77 %

C’pe = 15.77 %

P= Ligeramente por debajo de 727º C hay perlita [(α+Fe3C)+Fe3C] donde la perlita es el  residual de antes.

3.5 %C

P = 100-CT(727 ºC-) = 100 – 46.27 = 53.73 Reacción eutectoide (0.77 %C)  (0.0218 %C)  Fe3C(6.67 %C)

P( 

0.77

)

6.67  %C 6.67  3.5 100  100  53.73 % 6.67  0.77 6.67  0.77

C’e: es la que hay en la perlita:

52.32 = C’e + 30.5+ 15.77

CT=Te- = C’e + Ce+ C’pe CT Te 

3.5  0.0218 100  52.32 % 6.67  0.0218

CEUT  Ce'  (% perlita)x(Cementita Perlita ) 

C’e = 6.05 % 6.67  3.5 0.77  0.0218 100  6.05 % 6.67  0.77 6.67  0.0218

CV: es la que precipita por descenso de la solubilidad del carbono en  al bajar la temperatura, sabiendo que a temperatura ambiente, el máximo de solubilidad en la fase α es de 0.003% de C. CT 

CV = CT – C T=Te- CT Te 

3.5  0.003 100  52.45 % 6.67 0.003

3.5  0.0218 100  52.32 % 6.67  0.0218

CT = 52.45 % CV = 52.45– 52.32= 0.13 %

CV = 0.13 %

CL: cementita libre (la que no forma parte de la perlita). Toda la generada hasta 727 ºC, es decir: CL = Cpe+ Ce+ C’pe= 0 + 30.5 + 15.77= 46.27 % O bien: CL = CT-CPERLITA = 52.45 – (C’e – CV) = 52.45 – (6.05 + 0.13) = 52.45 – 6.18 = 46.27 %

Cpe: cementita primaria o proeutéctica Ce: cementita eutéctica C’pe: cementita secundaria o proeutectoide P: perlita C’e: cementita eutectoide o que forma parte de la perlita CV: cementita terciaria o vermicular CT: cementita total Fpe: ferrita proeutectoide Fe: ferrita eutectoide

3.5 %C

Reacción eutectoide

(0.77 %C)  (0.0218 %C)  Fe3C(6.67 %C) Fpe: Al tener el acero un contenido en carbono mayor de 0.77 % (C>0.77 %) no aparece ferrita proeutectoide, por lo que Fpe = 0

Fe: es la que aparece fruto de la reacción eutectoide. Se calcula en el segmento eutéctico, mediante la regla de los segmentos inversos FEUTECTOIDE  Fe 

Ferrita total = FT →

6.67  3.5 100  47.68 % 6.67  0.0218

FT 

6.67 3.5 100  47.55 % 6.67  0.003

 727 ºC

PRO (0.0218 %C)

EXPULSA C

1 [%Cv2>v1) -siempre que ésta origine ferrita proeutectoide y perlita como constituyentes- se traduce en una disminución de la temperatura A3r. Ello se debe a que la formación de ferrita proeutectoide durante el enfriamiento se realiza por un proceso de nucleación y crecimiento.

v3

Al aumentar la velocidad de enfriamiento continuo de la austenita para un acero con C1 % de carbono (< 0.77 %), disminuye la temperatura a la que comienza la formación de ferrita: T1 para velocidad v1, T2 para la velocidad v2, etc. Además, puede decirse que el tamaño crítico del núcleo de ferrita disminuye con la velocidad de enfriamiento. Por consiguiente, el grano de ferrita proeutectoide será más fino si el enfriamiento es más rápido. Las líneas de transformación en el diagrama Fe-C quedarán modificadas para velocidades de enfriamiento creciente. El punto eutectoide para la velocidad de enfriamiento v1 corresponderá a la temperatura y composición de E1. Análogamente, para la velocidad v2 el punto eutectoide será E2, para v3 será E3, etc. Una vez transformada la austenita C1, la relación perlita/ferrita es mayor cuando las velocidades de enfriamiento han sido más rápidas. El aumento de la velocidad de enfriamiento también hace que baje A1 y Acm sigue su tendencia. Al descender el punto e (eutectoide), baja también el valor de la temperatura Te, bajando el %C. Estudiemos la fracción de perlita proeutectoide en función del aumento de velocidad: v1→fw(perlita-proeutectoide) = OA/Ae v2→fw(perlita-proeutectoide) = OA/Ae´ Ae >Ae´>Ae´´, luego v3→fw(perlita-proeutectoide) = OA/Ae´´ ↑ venfriamiento  ↑ fw(perlita) Al desplazarse hacia la izquierda el punto e (→e’→e’ ) aumenta fw(perlita) luego: La carga de rotura de un acero ferritoperlítico es aproximadamente: Rm(acero) = 300 fw(α)+800 fw(p) Rm(acero) ↑ cuando aumenta fw(p) fw(α)+ fw(p)=1 ↑ venfriamiento  ↑ fw(p)  ↑ Rm(acero) ↑ venfriamiento  ↓ dα(tamaño de grano ferrita proeutectoide)  ↑ Re (↑σy)

v1 T1 T2

v2 v3

T3

Al ir aumentando la velocidad de enfriamiento aumenta el número de núcleos y el tamaño de grano será más fino (menos grosero)

VELOCIDADES DE ENFRIAMIENTO MAYORES DE LA DE EQUILIBRIO Podría objetarse que la perlita, por ser más diluida (menos rica en carbono para velocidades crecientes) no presentará una carga de rotura de 800 MPa; pero dado que el aumento de velocidad, disminuye el espaciado S0 entre láminas de ferrita y cementita, aquélla -aunque empobrecida en C- llega a tener cargas de rotura superiores a 800 MPa. Luego al aumentar la velocidad de enfriamiento, vENF, la perlita aparece diluida ↑ Rm (p) y aumenta la tenacidad. La ferrita de la perlita en el caso de un aumento de la velocidad es mayor que en el equilibrio.  perlitica(v  v

) eq

OA 6.67  Ce' 100   perlitica(v  v Ae ' 6.67  0.0218

eq

)

OA 6.67  0.77 100; ya que Ce'  0.77 %; Ae  Ae' Ae 6.67  0.0218

Otra forma de explicarlo (Partiendo del mismo C inicial, T=Cte y Fe3C = Cte, con independencia de la velocidad de enfriamiento): Al aumentar la velocidad de enfriamiento , sube fv(perlita), luego disminuye el contenido en ferrita proeutectoide [ fv(-pro)] Baja la cantidad de α–proeutectoide  Sube la cantidad de α–eutectoide (el de la perlita). La cementita se mantiene constante  La perlita se diluye. Debido al trasvase de α–proeutectoide que se produce al interior de las láminas de la perlita

aT  Cte y Fe3C  Cte

 f v (  pro)  f v( )e  f v(Fe 3C) e  Cte; fv (  pro)  fv ( perlita)  Cte

fv (  pro)  y fv ( )e  para mantener igualdad : fv (  pro)  fv (  eutectoide)  k´

Por tanto, crece el α perlitico con la velocidad de enfriamiento t’’

Luego S0´> S0, aumenta a expensas solo de la ferrita. Factor de dilución, fD

´

Perlita diluida

fD 

S’’0 (v>veq) S’’0 Carga rotura ferrita (300 Mpa)]. Y puesto que al aumentar en Mn aumenta, al menos, el % de perlita, la carga de rotura del acero será más elevada que la del acero sin manganeso (Por otra parte, al entrar el Mn en solución sólida en la ferrita, aumenta también la carga de rotura de la ferrita proeutectoide).

 Mn  % perlita (P)  fv (P)  Rm (ac) 2.- La perlita resulta diluida  El acero se hace más tenaz 3.- La presencia de Mn da lugar a la disminución de A3, que origina un afino de grano de la ferrita proeutectoide. Produce algo similar al aumento de la velocidad de enfriamiento. Con el afino de grano (dα) mejora el límite elástico. Además hay distorsión de las celdas, lo que hace que también aumente el límite elástico por solución sólida. ↑ Mn  ↓ dα(tamaño de grano ferrita proeutectoide)  ↑ Re (↑σy)

PERLITA DILUIDA. PROPIEDADES QUE IMPLICA Para contenidos crecientes de Mn el punto eutectoide presenta menores contenidos en carbono y menores temperaturas. Estudiemos la fracción de perlita proeutectoide de un acero con un contenido en carbono del C0 % cuando aumenta el contenido en Mn : %Mn=0→fw(perlita-proeutectoide) = OA/Ae %Mn=a →fw(perlita-proeutectoide) = OA/Ae´ Ae >Ae´>Ae´´, luego %Mn=b (b>a) →fw(perlita-proeutectoide) = OA/Ae´´ ↑ Mn  ↑ fw(perlita)

%Mn=0

%Mn=a

La ferrita de la perlita en el caso de que el acero contenga Mn es mayor que si %Mn=0. 6.67  Ce' OA 6.67  0.77  perlitica(% Mn  a)  OA 100   perlitica(%Mn  0)  100; ya que Ce'  0.77 %; Ae  Ae' Ae ' 6.67  0.0218 Ae 6.67  0.0218 Otra forma de explicarlo (Partiendo del mismo C inicial, T=Cte y Fe3C = Cte, con independencia del contenido en Mn): Al aumentar el contenido en Mn, sube fv(perlita), luego disminuye el contenido en ferrita proeutectoide [ fv(-pro)] Baja la cantidad de α–proeutectoide  Sube la cantidad de α–eutectoide (el de la perlita). La cementita se mantiene constante  La perlita se diluye. Debido al trasvase de α–proeutectoide que se produce al interior de las láminas de la perlita

´

Perlita diluida

t’’

S’’0

S’’0 (Mn  A3) S’’0austenita>ferrita. Muestras de acero  %C < 2.11 % Al atacar con nital, la parte blanca puede ser ferrita o cementita. Como la zona blanca de A es de menor dureza que la de B y la cementita es de más dureza que la ferrita, se tiene : Zona blanca (A): ferrita. Zona blanca (B): cementita. La fracción obscura serán “colonias” de perlita. Luego el primero es un acero hipoeutectoide y el segundo hipereutectoide. Por los datos sabes que: % FPe (% en peso de ferrita proeutectoide) = % CPe (% en peso de cementita proeutectoide). Fracción de superficie blanca igual en ambas muestras Fracción de volumétrica de la zona blanca igual en ambas muestras   Fracción en peso de la zona blanca igual en ambas muestras, ya que la la densidad del constituyente blanco del acero A es igual a la densidad del constituyente blanco del acero B, luego: % FPe A  % CPe B 0.77  A B  0.77  5.9 0.77  A  0.7482 B  0.77  0.77  0.0218 6.67  0.77

4.543  5.9 A  0.7482B  0.5761  5.9 A  0.7482B  5.1191  A  0.1268B  0.8676

A- Acero hipoeutectoide  CMAX(A)=0.77 % CMAX(A)=0.77 %  CMIN(B) B  7.8856 A  6.8419

B- Acero hipereutectoide  CMIN(B)=0.77 %

CMAX(B)=2.11 %  CMIN(A)

A  0.1268B 0.8676

 B  7.8856 A  6.8419

CMIN(B)= 0.77 CMAX(B)= 2.11

CMIN(A)=0.60 CMAX(A)= 0.77

0.60< A v0) -siempre que ésta origine ferrita proeutectoide y perlita como constituyentes- se traduce en una disminución de la temperatura A3r). Se puede observar como dos aceros con contenido en carbono diferente (C2 Ms(aleado) Expresión de Steven, corregida por Irving: M S (C)  561 474% C  33% Mn17% Ni 17 % Cr  21(%Mo) 11% W 11% Si Ms(autotemplante) MS(B)  Mayor salto térmico en el acero B (aumenta el gradiente de temperatura entre la periferia y el núcleo)   Mayor riesgo de agrietabilidad en el acero B que en el A. (Recordar que MS es la temperatura a la que se forma el 1% de martensita).

TLÍQUIDUS (A) > T LÍQUIDUS (B): el riesgo de quemado es mayor en B que en A. Cuando en la periferia se forma martensita -y aumenta el volumen de esa zona- el núcleo, en cambio, sigue siendo austenítico. En ese caso las tensiones a que se ve sometido el núcleo de la pieza como resultado de la dilatación de la periferia se absorben a modo de deformación plástica del núcleo. Pero cuando llega el momento de la transformación de austenita a martensita en el núcleo, las zonas externas -ya martensíticas- están a temperaturas más bajas y tienen poca plasticidad. Así cuando el núcleo se transforma en martensita, también con aumento de volumen, las zonas periféricas, martensíticas y poco plásticas, ejercen una acción a modo de "zuncho" sobre el núcleo. La dilatación del núcleo puede llegar a producir, por rotura de ese zunchado periférico, la aparición de grietas (a lo largo de las generatrices del redondo si se trata de una pieza cilíndrica). Cuanto menor sea la temperatura Ms del acero menor será la plasticidad de la martensita periférica al llegar el momento en que el núcleo se transforme en martensita y aumente de volumen. Esa escasa plasticidad de la periferia martensítica favorecerá la posibilidad de que se formen grietas en ese momento.

Acero A

Acero B

8º.-En las fórmulas empíricas para el cálculo de la templabilidad existe un parámetro relacionado con el tamaño de grano austenítico. Razónese sobre la influencia de este parámetro sobre la templabilidad.

Ver problema 3, apartado 5º

9º.- Metalografía: Naturaleza (composición química), estado (forja o moldeo) y aplicaciones del material férreo cuya micrografía a 100 x se adjunta.

P34/ Junio 2006. 1º.- Determinar las temperaturas de inicio y final de solidificación de un acero binario cuyo contenido en C es tal que, su intervalo de solidificación coincide numéricamente con el de estabilidad en el dominio +. ¿Qué porcentaje en C presenta ese acero? ¿Valor de las temperaturas críticas? 2°.- La temperatura crítica A3 de un cierto acero al carbono, binario, es de 800 °C. Otro acero aleado, de igual contenido en C, presenta en su composición química elementos alfágenos y gammágenos cuyos efectos se compensan, para dar la misma temperatura A3, ¿el comportamiento de estos aceros en el temple, será igual en ambos casos? Razónese. 3°.- Como consecuencia de haber realizado un recocido de regeneración defectuoso a un acero de 0.17 % en peso de C, este ha presentado una estructura Widmanstátten. Indicar la causa de esta estructura, sus inconvenientes y remedio(s) para evitarla. 4°.-Cómo varía el diámetro crítico real al 50 % al variar la severidad de temple? 5°.- Considérense dos aceros A y B, de tamaño de grano "normal", cuyas composiciones son: Acero A: 0.3 %C - 1.25 %Cr - 4.25 %Ni - 0.55 %Mn - 0.22 %Si - Pmáx |d(HRC)/d|aleado). Este último extremo se debe al efecto de los aleantes que retardan la difusión del C en la martensit, y la coalescencia de carburos en la martensita revenida. En conclusión, el acero aleado es más tenaz que el acero al C por dos razones: (a).- Tiene menos C, luego la fv((Fe,X)3C) es menor (b).- El dppt[(Fe,X)3C] será menor, por su menor propensión a coalescencia (Ostwald Ripening y papel de los aleantes), también favorable para un óptimo comportamiento tenaz. (dppt = Diámetro de precipitado)

3°.- ¿Se podría afirmar en algún caso que un acero de 0.5 %C resulte hipereutectoide por enfriamiento al aire? Razónese.

Ver problema 3, apartado 8º La "depresión" del bucle + por enfriamiento continuo de aceros F+P, representadas en el diagrama Fe-C metaestable (y por tanto dando lugar a la formación de los constituyentes de equilibrio metaestable) tienen como límite el desplazamiento del eutectoide hasta contenido en C del acero (C  0.45% peso). Ello se explica mediante las cinéticas de transformación (curvas en "C") del acero por enfriamiento continuo: la condición límite CE'=0.45 %, se correspondería con aquella velocidad de enfriamiento desde el estado austenítico, igual a la "templabilidad ferrítica" de este. Es decir, la curva de enfriamiento pasa por el punto de intersección entre las cinéticas de 1 % PRO y del 1% P. Mayores velocidades de enfriamiento no harían sino producir constituyentes de no equilibrio: bainita, y/o martensita, por lo que no sería posible una representación del bucle + "deprimido" con CE' 600 ºC) %C Dureza potencial

DUREZA POTENCIAL 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60 0.65 0.70 0.75 78+A 80+A 82+A 83+A 85+A 87+A 89+A 91+A 92+A 93+A 94+A 95+A

Mn Si Ni Co Cr Mo V

4(% Mn) 4(% Si) 1(% Ni) 0.5(% Co) 1.5(% Cr) 2.5(% Mo) ----------

4(% Mn) 4(% Si) 1(% Ni) 0.5(% Co) 5(% Cr) 20 (% Mo) 50(% V)

HP =83 + A

Revenidos bajos ( 350º C)  A  4(%Mn)  4(%Si)  (%Ni)  0.5(%Co) 1.5(%Cr)  2.5(%Mo) Revenidos altos ( 600º C)  A  4(%Mn)  4(%Si)  (%Ni)  0.5(%Co)  5(%Cr)  20(%Mo)  50(% V)

Revenidos bajos ( 350º C)  A  4(0.5)  4(0.25)  (3)  0.5(o) 1.5(1)  2.5(0.4)  8.5

HP =83 + A= 83+8.5=91.5

Revenidos altos ( 600º C)  A  4(0.5)  4(0.25)  (3)  0.5(0)  5(1)  20(0.4)  50(0)  19

HP =83 + A= 83+19=102

Como 350°C...