Tema 7. Diagrama Fe-C PDF

Preview

Summary

Download Tema 7. Diagrama Fe-C PDF

Description

TEMA 7.- DIAGRAMA HIERRO-CARBONO. 1.- HIERRO PURO. A) Propiedades del hierro:    

Metal blanco azulado, dúctil y maleable. Funde: 1.536ºC a 1539ºC, y se reblandece antes de llegar a esta T => permite forjarlo y moldearlo con facilidad. La T de fusión  en cuanto está aleado con C. Buen conductor de la electricidad y se imanta fácilmente.

B) Estructura cristalina y Variedades alotrópicas: 

Si se enfría lentamente una probeta de Fe puro en estado líquido:    

A T = 1.539ºC => solidifica A T = 1390ºC (Ar 4) => se detiene el descenso de T debido a un desprendimiento de Q producido por un cambio en la estructura A T = 900ºC (Ar 3) => se detiene otra vez A T = 750ºC (Ar 2) => se detiene otra vez



Si se calienta lentamente desde T ambiente, se repiten las mismas anomalías pero a T ligeramente superiores: 1.410ºC (Ac4), 920ºC (Ac3) y 780ºC (Ac2)



Las diferencias entre las T de calentamiento y enfriamiento son tanto  cuanto  es la velocidad en que se desarrollan los dos procesos (es debido a la resistencia que oponen los sistemas cristalinos al transformarse).



Si el calentamiento o enfriamiento se hiciese a velocidad infinita => se obtendrían T comprendidas entre las Ac y las Ar => 1.400ºC (A4), 910ºC (A3) y 768ºC (A2).



Así, el hierro cristaliza: 

Hasta 768ºC => Fe-  o ferrita (bcc)  



De 768ºC a 910ºC => Fe-  (bcc)   



No disuelve prácticamente al C, no llegando al 0,008% a T amb., siendo la máxima solubilidad de 0,02% a 723ºC. Es magnético Cristalográficamente es igual que , únicamente la distancia entre átomos es algo mayor (dilatación por aumento de T). No es magnética. Al punto de transformación del Fe- magnético en no magnético se denomina punto de Curie, y al Fe- no se le considera variedad alotrópica.

De 910ºC a 1.400ºC => Fe- o austenita (fcc) 



El cubo de Fe- tiene más volumen que el de Fe-, pero como contiene 4 átomos de Fe frente a los dos del cubo de Fe- => serán necesarios 2 cubos de Fe para formar el Fe- => la transformación de Fe- a Fe- supone una contracción de volumen. No es magnética.

Diagrama Hierro-Carbono ______________________________________________________________________________  De 1.400ºC a 1.539ºC => Fe-  (bcc)     

2

Disminución del parámetro de red => pasa a fcc Es magnético. Su máxima solubilidad de C es 0,07% a 1.487. Variedad poco interesante desde el punto de vista industrial.

A partir de 1.539ºC => fusión del Fe puro.

2.- ALEACIONES HIERRO-CARBONO.  El Fe puro apenas tiene aplicaciones industriales, pero formando aleaciones con C y otros elementos, es uno de los metales más utilizados.  El elemento básico de aleación del Fe es el C. El C es un soluto intersticial en el Fe, y forma soluciones sólidas con el Fe-, Fe- y Fe-. 

Las aleaciones Fe-C se caracterizan por tres factores:

A) Composición química: 

Las aleaciones denominadas férreas tienen al Fe como principal componente, aunque pueden contener C y otros elementos de aleación. La clasificación de las aleaciones férreas según el contenido en C, es: 

Fe puro (< 0,008% C) => en el diagrama de equilibrio comprende la fase  a T amb.



Aceros (0,008-2,11% C) => en la práctica raramente exceden del 1% C.



Fundiciones (2,11- 6,67% C) => normalmente las fundiciones comerciales van de 1,76%C al 4,5% C.

B) Constitución: 

Las aleaciones están formadas por constituyentes cuya naturaleza varía según las proporciones de los componentes de la aleación y la T. En las aleaciones Fe-C pueden encontrarse hasta once constituyentes: 

Ferrita ( ): (bcc)  

         

Solución sólida de C en Fe-. Solubilidad a T amb es muy pequeña => 0,008% de C => por eso, prácticamente, se considera a la ferrita como Fe puro. Esa pequeña solubilidad se explica teniendo en cuenta la forma y el tamaño de las posiciones intersticiales de la estructura bcc que dificultan la acomodación de los átomos de C. Máxima solubilidad de C en Fe- => 0,02 % C a 723ºC. La velocidad de difusión es mayor que en la austenita. Aunque presente en poca proporción, el C ejerce gran influencia en las propiedades mecánicas de la ferrita. Es el constituyente más blando y dúctil de los aceros. Estructura: bcc Dureza: hasta 80 HB. Resistencia a rotura: 28 Kg/mm2 Alargamiento: hasta 35-40% Magnética.

Cementita (Fe3C):  

Es un carburo de Fe de fórmula Fe3C. Contiene un 6,67% C y un 93,33% Fe.

Diagrama Hierro-Carbono ______________________________________________________________________________     

Constituyente compuesto por 86,5% de ferrita y un 13,5% de cementita. Dureza: aprox. 200 HB. Resistencia a rotura: 80 Kg/mm2. Alargamiento: 15% Cada grano de perlita está formado por cementita y ferrita, entonces: si el enfriamiento es muy lento => estructura laminar. si el enfriamiento es brusco => perlita sorbítica (estructura más borrosa). También se puede considerar sorbita. si la perlita laminar se calienta durante algún t a t algo menor a la crítica (723º C) => lóbulos de cementita en masa de ferrita => perlita globular

Austenita (): (fcc)   



 

     

Es el constituyente más duro y frágil de los aceros => su presencia  considerablemente la resistencia de algunos aceros. Dureza: hasta 700 HB (68 HRC). Magnética hasta 210º C, T a la cual pierde el magnetismo. Estructura: ortorrómbica.

Perlita ( + Fe3C):     



3

Constituyente más denso de los aceros. Formada por una solución sólida intersticial de C el Fe-. Máxima solubilidad de C en Fe- : 1,76% C a 1.130º C => aprox. 100 veces mayor que la máxima para la ferrita, ya que las posiciones intersticiales de la estructura fcc tienen la forma adecuada para que al llenarse de átomos de C, la deformación impuesta a los átomos de Fe vecinos sea mucho menor. Al pasar de   , el nº total de átomos no aumenta, sólo hay una modificación de la estructura cristalina, apareciendo cubos de mayor volumen => la red se contrae. En los aceros al C (sin ningún elemento de aleación), la  empieza a formarse a 723º C (A1), y a partir de la T crítica superior (A3 o Acm) la totalidad de la masa de acero está formada por cristales de austenita. A T amb. puede observarse estructura austenítica si se enfría rápidamente desde una T mayor A3, pero como la  no es estable => con el t transforma a ferrita y perlita o cementita y perlita La  está formada por cristales cúbicos de Fe-, con los átomos de C intercalados en las aristas y en el centro. Dureza: 300 HB. Resistencia: 100 Kg/mm2 Alargamiento: 30% No es magnética.

Martensita:        

Después de la cementita es el constituyente más duro de los aceros. Es una solución sólida sobresaturada de C en Fe-. Se obtiene por un enfriamiento muy rápido de los aceros, una vez elevada su T lo suficiente para conseguir constitución austenítica. Presenta forma de agujas. Estructura: tetragonal (debido a la deformación que produce en su red la inserción de átomos de C => por ello su dureza). El % de C en martensita varía hasta un máximo de 0,89 %, aumentando su dureza, resistencia mecánica y fragilidad con el % en C. Dureza: 50 - 68 HRC Resistencia mecánica: 175 - 250 Kg/mm2.

Diagrama Hierro-Carbono ______________________________________________________________________________   

    

    

 

No es constituyente de los aceros sino de las fundiciones Es eutéctica. Se forma al enfriar la fundición líquida de 4,3% C desde 1.130ºC, siendo estable hasta 723ºC, descomponiendo a partir de esta T en ferrita y cementita

Steadita:     



Se produce enfriando rápidamente la austenita hasta una T entre 250 y 500ºC, y manteniéndola a esta T cte hasta fin de la transformación. Hay dos tipo de bainita: bainita superior (500 - 550ªC): aspecto arborescente. bainita inferior (250 - 400ºC): aspecto acicular Está constituida por placas de carburo sobre una matriz ferrítica.

Ledeburita:   



Se produce enfriando rápidamente la austenita desde una T > T crítica superior hasta una T entre 600 y 650ºC, y manteniendo esta T cte hasta la total transformación. También se produce cuando se enfría la austenita a velocidad bastante inferior a la crítica (por eso aparece en los aceros forjados y laminados) Se presenta formando laminillas aún más finas que las de la troostita y también similares a las de la perlita. Dureza: 350 HB Resistencia: 100 KG/mm2 Alargamiento: 15%.

Bainita: 



Se produce enfriando rápidamente la austenita hasta una T entre 500 a 600ºC, y manteniéndola a esta T cte hasta que toda la austenita haya transformado en troostita. También se produce cuando se enfría la austenita a una velocidad algo inferior a la crítica (mínima para que toda la austenita transforme en martensita). Se presenta en forma de nódulos compuestos de laminillas radiales de cementita sobre ferrita, parecidas a las de la perlita pero más finas. Dureza: 450 HB. Resistencia: 250 Kg/mm2 Alargamiento: 7,5%.

Sorbita: 



Alargamiento: 2,5 - 0,5%. Es magnética.

Troostita: 



4

Constituyente eutéctico que aparece en las fundiciones de más de 0,15% P. Es muy dura y frágil. Funde a 960ºC. En fundiciones grises está compuesta por un eutéctico de ferrita y fosfuro de Fe. En fundiciones blancas y atruchadas está compuesta por un eutéctico de ferrita, fosfuro de Fe y cementita.

Grafito:   

Es una de las variedades alotrópicas en las que existe el C en la Naturaleza. Blando, untuoso, gris oscuro. Se presenta en forma de láminas en fundiciones grises; en forma de nódulos en fundiciones maleables, y en forma esferoidal en algunas fundiciones especiales.

Diagrama Hierro-Carbono ______________________________________________________________________________ 



5

El grafito: disminuye la dureza, resistencia mecánica, elasticidad y plasticidad de las fundiciones que lo contienen. mejora la resistencia al desgaste y a la corrosión, y sirve de lubricante en el roce.

Inclusiones metálicas:   

En forma de carburos: El Cr, Mo, W, Mn y V se combinan con el C formando carburos metálicos muy duros. Se observan como granos uy brillantes. Disueltos en la ferrita: El Ni, Si, Mn, Cu y P pueden estar disueltos en la ferrita formando soluciones sólidas. Emulsionados: El Cu (> 0,60%) y el Pb pueden encontrarse formando bolsas muy pequeñas en la masa del acero.

C) Estructura: 

En las aleaciones Fe-C se pueden distinguir 3 tipos de estructuras: 

Estructura cristalina:  



No es uniforme, sino que varía según los constituyentes de que esta formada la aleación, y estos varían según la composición y la T. Se han visto anteriormente.

Estructura micrográfica:   

El elemento fundamental de la estructura micrográfica es el grano, que en los aceros tiene una gran importancia, por lo que debe cuidarse su formación y evolución en los T.T. El grano crece con el aumento de la T y con el t de permanencia. En general, cuanto  es el tamaño de grano => peores propiedades del acero (excepto maquinabilidad)

Influencia del tamaño de grano en las características de los aceros. Templabilidad Tenacidad para la misma dureza Deformaciones en el temple Grietas Tensiones residuales Maquinabilidad en estado recocido.



Grano Fino poca mucha

Grano Grueso mucha poca

pocas pocas pocas peor

muchas bastantes bastantes mejor

Estructura macrográfica: 

La estructura macrográfica formada por la fibra depende de las impurezas que contenga el acero y de la forja a que se ha sometido.

Diagrama Hierro-Carbono ______________________________________________________________________________

6

Temperaturas: Ac1: perlita   Ac2 (sólo en Fe puro y en aceros con %C < 0,35): Fe-  Fe- Calentamiento Ac3 (sólo para aceros con %C < 0,35):   Ac32 (0,35< %C < 0,89): ocurre a la vez el fenómeno Ac2 y Ac3 Hipoeutectoides Ar3 (%C < 0,35):    Ar2: Fe-  Fe- Enfriamiento Ar32 (0,35 < %C < 0,89): simultáneamente Ar2 y Ar3 Ar1: Fin de la transformación    ACEROS AL C Transformación brusca de   perlita Ac321: Comienzo de la transformación Fe3C   Calentamiento Transformación brusca de perlita   Hipereutectoides ArCM: Comienzo de la transformación   Fe3C Enfriamiento Ar321: Fin de la transformación   Fe3C Transformación brusca de   perlita Calentamiento Ac321: perlita   Eutectoides Enfriamiento Ar321:   perlita

3.- DIAGRAMA DE EQUILIBRIO HIERRO-CARBONO.  Una vez conocidos los constituyentes que pueden encontrarse en las aleaciones Fe-C, vamos a determinar (según sean sus proporciones de Fe y C, y la T a la que se encuentran) cuáles de ellos las forman => trazado y estudio del diagrama de equilibrio para las aleaciones Fe-C.  Existen dos diagramas de equilibrio en las aleaciones Fe-C:  Fe-C libre (grafito) => estable. 

Fe-Fe3C => metaestable. La cementita es metaestable: permanece como compuesto a T amb indefinidamente, pero si se calienta entre 650 y 700ºC durante varios años => cambia gradualmente o se transforma en Fe- y C (grafito), que permanece al enfriar hasta T amb => por eso este diagrama no está verdaderamente en equilibrio al no ser la cementita un compuesto estable. Sin embargo, teniendo en cuenta que la velocidad de descomposición de la cementita es extraordinariamente lenta, en la práctica todo el C del acero permanece como cementita en lugar de cómo grafito, y el diagrama Fe-Fe3C es, en la práctica, válido.

 A la vista del diagrama podemos apreciar que en el EJE DE ABSCISAS hay una serie de puntos bien definidos: 

El límite del diagrama corresponde a un % C = 6,67, que es el de cementita (Fe3C) pura.



El punto C => eutéctico (4,3% C a 1.130ºC). La totalidad de la masa de la aleación funde o solidifica a una sola T => por eso la línea ABCD tiene con la AHJECF el punto común C, que es el eutéctico. Entonces:   



%C < 4,3 (entre principio y fin de la solidificación) => precipita austenita. %C > 4,3 ( " ) => precipita cementita. %C = 4,3 => solidifican formando un solo constituyente => ledeburita (formado por austenita y cementita)

El punto E => máxima solubilidad de C en Fe- (1,76% C). Además divide el

Diagrama Hierro-Carbono ______________________________________________________________________________

7

diagrama en aceros y fundiciones. El punto S => eutectoide (0,89% C)

 

El punto J => peritéctico (0,18% C a 1.492ºC) => % de austenita que permanece estable a la más alta T. El punto H (0,08% C) => máximo porcentaje que puede contener en solución sólida al Fe-

 . 

El punto P (0,025% C) => máximo porcentaje de C que puede disolver la ferrita.

 En el EJE DE ORDENADAS hay los siguientes puntos críticos: A0 = 210ºC => cambio magnético de la cementita, por encima de ella deja de ser magnética.  A1 = 723ºC => límite de la perlita.  A2 = 768ºC => cambio magnético de la ferrita, por encima de ella deja de ser magnética. 

A3 (línea SG) => dependiendo del %C varía de 723ºC a 910ºC => límite de la ferrita. Acm (línea SE) => varía de 723ºC a 1.130ºC => límite de la cementita. Línea EF (1.130ºC) => límite de la ledeburita. Línea AHJECF => T de iniciación de la fusión al calentar o de terminación de la solidificación al enfriar. Por debajo de esta línea todo el metal está sólido.  Línea ABCD => T de fin de la fusión al calentar o de iniciación de la solidificación al enfriar. Por encima de ella todo el metal está líquido.  A4 (línea HB) => límite superior de la austenita.

   

4.- DESARROLLO DE MICROESTRUCTURAS EN ALEACIONES HIERRO-CARBONO.  Para comprender mejor el diagrama Fe-C vamos a estudiar el proceso de solidificación de distintas aleaciones en las cuales varía el % en C.  Se va a considerar enfriamiento muy lento para mantener así las condiciones de equilibrio. A)

Aceros hipoeutectoides: (Aleación de 0,3% C)  



Aproximadamente a 1.520ºC comienza la solidificación con la aparición de cristales de solución sólida de C en Fe- =>  Al cruzar los 1.492ºC =>  

Al ir disminuyendo aún más la T => van creciendo los cristales de  y formándose otros nuevos hasta llegar aproximadamente a 1.475ºC, donde la aleación (compuesta únicamente por ) queda totalmente solidificada.

Diagrama Hierro-Carbono ______________________________________________________________________________

   



8

De 1.475ºC  815ºC =>no hay variación de la estructura (se tiene , lo único que varía es el tamaño de grano: al T =>  tamaño de grano). Desde 815ºC (se cruza A3) empieza la transformación    , y esta proporción es mayor al ir  la T. Al pasar la T de 768ºC (línea A2) se da la transformación   . Desde entonces, al  T, los cristales de   . Como la  es Fe prácticamente puro => la  residual va enriqueciéndose en C, y se puede conocer su contenido en cada punto (por ejemplo, el contenido en C en el punto P1 viene dado por la abscisa del punto X1). Cuando la línea de enfriamiento llega a A1 (723ºC) => la aleación está formada por  + . Al cruzar esta línea se da la transformación íntegra de   perlita, QUEDANDO FINALMENTE CONSTITUIDA LA ALEACIÓN POR FERRITA Y PERLITA.

 

La Fe3C formada no es magnética, pero al cruzar en su enfriamiento la línea A0 (210ºC), se transforma en magnética. Una transformación similar se da en el enfriamiento de todas las aleaciones de 0,08 < %C < 0,4. Y también sigue un proceso parecido las aleaciones con 0,4 < %C < 0,89 , pero sin pasar por la fase , ya que del metal líquido (al cruzar la línea BC) empiezan a precipitar cristales de .

B) Aceros eutectoides: (Aleación de 1,89 % C)   

 



La solidificación comienza sin pasar el Fe por la fase , iniciándose con la formación de cristales  desde el punto donde la línea II cruza la línea BC (T 1.455ºC) => punto P2. Los cristales de  van creciendo y aumentando de número. El contenido en C de: estos cristales viene dado en cada punto P2, P3, P4 (de la línea de enfriamiento II) por las abscisas de los puntos X2, X3 y P4. el líquido residual viene dado por las abscisas de los puntos P2, X’3, X’ 4, en que las horizontales de los puntos P2, P3 y P4 cortan a la curva BC. También se puede calcular por medio del diagrama los porcentajes de la aleación que están solidificados y los porcentajes de líquido residual en cada T. A medida que se enfría la aleación => va  el tamaño de los granos. Como la aleación tiene un 0,89%C => al descender de 723ºC => toda la   perlita, siendo este constituyente el único que se forma en esta aleación denominada eutectoide A partir de los 210ºC, la Fe3C de la perlita vuelve a ser magnética.

C) Aceros hipereutectoides: C.1.- Composición: 0,89< %C < 1,76 => ejemplo: aleación de 1,2%C.  Al cortar la línea BC en el punto P5 (1.430ºC) => empieza la solidificación con la formación de cristales de , los cuales van  de tamaño al ir  la T.  Al cortar la línea JE => punto P6 (1.310ºC) => la aleación solidifica por completo.

Diagrama Hierro-Carbono ______________________________________________...