EL Sistema Hierro Carbono ( Diagrama Fe-C) PDF

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EL SISTEMA HIERRO - CARBONO

Fig: 1

Fig: 2 Nota: se hace notar al lector que los puntos críticos definidos en el diagrama varían de acuerdo a cada autor, tanto en % de C como en temperatura, como el presente documento

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está extractado de varias fuentes podrían aparecer valores diferentes pero muy aproximados entre sí para indicar cualquiera de los puntos críticos imvariantes del sistema. El sistema de aleaciones binario más importante es el hierro-carbono. Como se vió en el capítulo de Diagramas de equilibio de fases, las aleaciones binarias podrían estar constituidas por dos metales o un metal con un no metal, este último caso es el del sistema de HierroCarbono ya que el carbono es un No Metal. 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 1868 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. Los estados alotrópicos ( polimorfismo ) del Hierro puro TsFe = 1535 ºC  = 7,85 kg/dm3 PaFe = 56 es un sistema alotrópico (4 fases) Puntos críticos del Fe A4=1410ºC A3=910ºC A2=790ºC A1=490ºC

Estructura cristalina     ´

CC CCC CC CC CC

Parámetro de red 2,66 Å 3,26 Å 2,68 Å 2,62 Å

Solubilidad del Carbono 0,07 % a 1425 ºC 1,67 % a 1150 ºC 0,03 % a 790 ºC 0,03 % a 790 ºC

características No magnético No magnético Magnético difuso Magnético difuso Magnético

Estos cambios son visibles en el eje vertical de 100 % de Fe y pueden ser descriptos por análisis térmico con el siguiente diagrama de Temperatura - Tiempo

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El hierro es un metal de color blanco plateado. El hierro más puro, que puede obtenerse en la actualidad, contiene 99,99% de Fe.Los hierros que se emplean en la técnica contienen 99,8 – 99,9% de Fe. La temperatura de fusión del hierro es de 1539ºC. El hierro es conocido en sus modificaciones alotrópicas α y γ. El hierro α existe a temperaturas inferiores a 910 y superiores a 1401º C ; en el intevalo de temperaturas de 1401 a 1539º C el hierro existe en la forma γ . La red cristalina del hierro α tiene la forma de un cubo centrado con un período de la red de 0,2860 Nm (2,860º Ẵ) . 3

A una temperatura inferior a 768º C el hierro es magnético (ferromagnético). El punto crítico (768º c), correspondiente a la transformación magnética, es decir, a la pérdida de las propiedades magnéticas, se denomina punto de Curie y se designa por Ar2 (durante el enfriamiento) y por Ac2 (durante el calentamiento) El Hierro, a temperaturas superiores al punto de Curie, es decir, el hierro no magnético de red cúbica centrada, se denomina hierro ß. Las propiedades magnéticas del hierro dependen fuertemente de su pureza. Para el hierro que contiene 99,8 – 99,9% Fe, la permeabilidad magnética µmax = 650 ÷ ÷ 1300 H/m (5000 – 10 000 Gs/E) y la fuerza coercitiva Hc ≈ At/m (1 E); para el hierro con 99,99% Fe µmax = = 3500 H/m (28 000 Gs/E) y H c = 2 At/m (0,025 E) . 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. La figura muestra la porción de interés del sistema de aleación de hierro−carbono. Esta es la parte entre hierro puro y un compuesto intersticial, carburo de hierro, Fe3C, que contiene 6.67% de carbono por peso; por tanto, esta porción se llamará diagrama de equilibrio hierro−carburo de hierro. Antes de estudiar este diagrama, es importante que el lector entienda que éste no es un verdadero diagrama de equilibrio, pues 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), lo cual tomará un tiempo muy largo a temperatura ambiente, y aun a 723ºC tarda varios años formar el grafito. El carburo de hierro se llama fase

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 lentos. Los aceros y fundiciones son aleaciones hierro-carbono. La clasificación de las aleaciones férreas según el contenido en carbono comprende tres grandes grupos: Hierro comercialmente puro: cuando contiene menos del 0.008 % en peso de C. Acero: cuando la aleación Fe-C tiene un contenido en C mayor del 0.008 y menor del 2 % en peso (aunque generalmente contienen menos del 1 %). Fundición: cuando la aleación Fe-C tiene un contenido en C superior al 2 % (aunque generalmente contienen entre el 3.5 y el 4 % de C). Las aleaciones hierro−carbono pertenecen al tipo de aleaciones que forman una composición química. 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 hierrocarburo de hierro, aunque técnicamente representa condiciones metaestables , puede considerarse como representante de cambios en equilibrio, bajo condiciones de calentamiento y enfriamiento relativamente lentas. 4

El carbono se puede encontrar en las aleaciones hierro−carbono, tanto en estado ligado formando el compuesto químico Fe3C llamado Cementita, como en estado libre (C, es decir, grafito), por eso, el diagrama comprende dos sistemas: Fe−Fe3C (metaestable); este sistema está representado en el diagrama de la figura 1 y con líneas llenas gruesas en el de la figura 2 y comprende aceros y fundiciones blancas, o sea, las aleaciones con el carbono ligado, sin carbono libre (grafito). Fe−C (estable); el diagrama se representa con líneas punteadas en la figura 2; este sistema expone el esquema de formación de las estructuras en las fundiciones grises y atruchadas donde el carbono se encuentra total o parcialmente en estado libre (grafito). 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). Fases en el sistema Fe-Fe3C: En la figura 1 se representa el diagrama de fases del sistema binario Fe- Fe3C. El hierro sufre cambios estructurales denominados alotrópicos con la temperatura antes de fundir. A temperatura ambiente la forma estable es la ferrita o Fe-α (estructura BCC). A 912 °C la ferrita sufre una transformación polimórfica a austenita o Fe-γ (FCC). La austenita se transforma a otra fase BCC a 1394 °C que se conoce como ferrita-δ, la cual funde a1538 °C. Todos estos cambios se pueden observar en el eje vertical del diagrama de fases para el hierro puro. El otro eje del diagrama sólo llega al 6.67 % en peso de C, concentración que coincide con el 100 % en peso del compuesto intermedio Fe3C conocido como carburo de hierro o cementita. Como sabemos los diagramas de fases pueden ser construidos de varias maneras, siendo una de las mas usuales el análisis termográfico, del cual se da un ejemplo para el diagrama de Fe – C metaestable en la siguiente figura

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La parte entre el 6.67 % de C y el 100 % de C (grafito puro) no es importante desde el punto de vista tecnológico y no se va a estudiar. El carbono en un soluto intersticial en el hierro y forma disoluciones sólidas con la ferrita (α y δ) y con la austenita (γ). La ferrita tiene una estructura BCC y en los intersticios se puede situar muy poco carbono, el máximo es un 0.022 % a 727 °C. Aunque en proporción muy baja, el carbono afecta mucho a las propiedades mecánicas de la ferrita. Esta fase es relativamente blanda, ferromagnética por debajo de 768 °C, y de densidad 7.88 g/cc. La austenita (Fe-γ) de estructura FCC tiene una solubilidad máxima de carbono del 2 % a 1148 °C. Solubilidad aproximadamente 100 veces superior a la de la ferrita. Las transformaciones de fase de la austenita son muy importantes en los tratamientos térmicos de los aceros como se verá más adelante. La ferrita-δ solo se diferencia de la α en el tramo de temperatura donde existe. Al ser sólo estable a altas temperaturas no tiene interés técnico. La cementita desde el punto de vista mecánico es dura y frágil, y su presencia aumenta la resistencia de muchos aceros. Desde un punto de vista estricto, la cementita es meta estable y si se calienta entre 650 y 700 °C descompone para dar Fe-α y grafito en el periodo de años, que permanece al enfriar. Por tanto, los diagramas no son realmente de equilibrio, pero al ser la velocidad de descomposición de la cementita tan extremadamente lenta estos diagramas son los útiles. En la figura 1 se puede observar regiones bifásicas y un eutéctico (CE = 4.30 % en peso de C, y TE = 1148 °C). La reacción eutéctica es: LE (4.30 % C) → Fe-γ (2 % C) + Fe3C (6.7 % C) 6

En la que un líquido de composición eutéctica solidifica para dar dos fases sólidas de austenita y cementita. El posterior enfriamiento de estas fases produce transformaciones de fases adicionales. En el diagrama de fases se puede observar otro punto invariante a la temperatura de 727 °C para una composición del 0.8 % de C. La reacción del eutectoide se puede representar como: Fe-γ (0.8 % C) → Fe-α (0.022 % C) + Fe3C (6.7 % C) Esta transformación de fase es de una importancia vital en los tratamientos térmicos de los aceros. Como se comentó en la introducción los aceros contienen entre el 0.008 y el 2 % de C, y al enfriarlas desde el campo γ ( Gamma) se obtiene una microestructura que está íntimamente relacionada con las propiedades mecánicas de los aceros.

Microestructuras en aleacions Fe-C. La microestructura que se desarrolla depende tanto del contenido en carbono como del tratamiento térmico. Si el enfriamiento es muy lento se dan condiciones de equilibrio pero si los enfriamientos son muy rápidos se producen procesos que cambian la microestructura y por tanto las propiedades mecánicas. Se distinguen varios casos. Los aceros eutectoides son aquellos en los que la fase austenítica sólida tiene composición del eutectoide 0.8 % . Inicialmente la microestructura de la fase γ ( Gamma) es muy sencilla con granos orientados al azar. Al enfriar se desarrollan las dos fases sólidas Fe-α y cementita. Esta transformación de fases necesita la difusión del carbono ya que las tres fases tienen composiciones diferentes. Para cada grano de austenita se forman dos fases con láminas de ferrita y otras de cementita y relación de fases de 9:1, respectivamente. Las orientaciones entre grano son al azar. 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.

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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. Esta microestructura de ferrita y cementita (figura 4.2) se conoce como perlita, y el nombre deriva de la apariencia de madreperla bajo el microscopio (figura 4.3). Mecánicamente, las perlitas tienen propiedades intermedias entre la blanda y dúctil ferrita y la dura y quebradiza cementita.

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 (723 ºC), la estructura consiste en cristales homogéneos de austenita que contienen 0.8 por ciento de carbono. A exactamente 1333 ºF (723 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), Es este caso, como en los de enfriamiento equilibrado, la perlita consta de 88 porciento de alfa ( ferrita ) y 12 por ciento de cementita y contiene 0.8 por ciento de carbono.

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Fotomicrografía color de perlita acero eutectoide 0,8 % C

Los aceros hipoeutectoides son aquellos en los que la fase austenítica sólida tiene un contenido en carbono inferior a la del eutectoide 0.8 %. Los cambios en la microestructura de un acero de esta composición se dan en la figura 4.4. Para T ≈ 875 °C, la microestructura de la fase γ es homogénea con granos orientados al azar . Al enfriar se desarrolla la fase α y nos encontramos en una región bifásica α + γ . En este punto se ha segregado un poco de fase α, al bajar en temperatura aumenta el contenido en fase α (aunque la proporción depende de la composición inicial del acero hipoeutectoide). La mayor cantidad de fase α se forma en los límites de grano de la fase inicial γ. Al enfriar pasamos a través de la temperatura del eutectoide En esta transformación de fases, la ferrita no cambia prácticamente y la austenita que queda se transforma en perlita dando la microestructura característica de los aceros hipoeutectoides (figura 4.5). 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, A unos 1500 ºF (816 ºC), una nueva fase, la ferrita, comienza a precipitarse de los granos de austenita. Aformación 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 priori 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 10

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 la regla de la palanca, el porcentaje de austenita es (0.28/0.58)*100=48% , y el porcentaje de ferrita es (0.30/0.58)*100=52% . A 1334 ºF (725º C), la estructura se compone del 36 por ciento de que contiene 0.8 por ciento de carbono y 64 por ciento de ferrita que, a su vez, contiene 0.02 por ciento de carbono. A 1333 ºF (723º C), 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 (723º C) 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 ferrita y 6.7 por ciento de carbono como la composición de la cementita. Así pues, a temperaturas inferiores a 1333 ºF (723º C), la estructura final correspondiente a una composición total de 0.3 por ciento de carbono consiste en una fase ferrita 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, , que existía a temperaturas levemente superiores a 1333 ºF (723º C). 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.

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Acero con 0,05 % de C – Ferrita y algo de perlita en bordes de grano

Acero con 0,35 % de C – Perlita y Ferrita

La ferrita de la perlita se denomina ferrita eutectoide (formada a la temperatura del eutectoide, y proveniente de los granos que restaban de la austenita), la ferrita formada 14

antes del eutectoide (en los límites de grano de la austenita) se denomina ferrita proeutectoide . En la perlita la relación de fases es ≈ 9:1, pero en los aceros hipoeutectoides la relación perlita y ferrita proeutectoide depende del porcentaje inicial de carbono. Esta microestructura siempre se observa en los aceros hipoeutectoides si han sido enfriados lentamente y son los más comunes. Los aceros hipereutectoides son aquellos en los que la fase austenítica sólida tiene un contenido en carbono entre 0.8 y 2 %. Los cambios en la microestructura de un acero de esta composición se dan en la figura 4.6. Para T ≈ 900 °C, la microestructura de la fase γ es homogénea con granos orientados al azar. Al enfriar se desarrolla la cementita y nos encontramos en una región bifásica γ + cementita. La cementita se comienza a formar en los límites de grano de la austenita. Esta cementita se denomina cementita proeutectoide ya que se ha formado antes de que se de la reacción del eutectoide. Al descender por debajo de la temperatura eutéctica, toda la austenita remanente de composición eutectoide se transforma en perlita. Por tanto la microestructura es perlita y cementita proeutectoide (figura 4.7). Al enfriar acero derretido que contiene por ej: 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, confor...