TEMA 20. MATERIALES: CONSTITUCIÓN Y PROPIEDADES DE LOS MATERIALES FÉRRICOS Y SUS ALEACIONES. CARACTERÍSTICAS DE LOS MATERIALES QUE AFECTAN A SU PROCESADO. FORMAS COMERCIALES. DIAGRAMA HIERRO-CARBONO. TEMPERATURA Y PUNTOS CRÍTICOS.
DIAGRAMA HIERRO-CARBONO.
Estable y metaestable
El diagrama de aleación hierro-carbono es un tipo de diagrama de equilibrio que nos permite conocer los aceros y las fundiciones, y dentro de ellos, que se va a conseguir en función de la temperatura y la concentración de carbono que tenga presente.
Estos diagramas no son válidos rigurosamente más que para aleaciones formadas exclusivamente de hierro y carbono. Si uno o varios elementos intervienen en pequeña proporción, el diagrama obtenido resulta muy próximo al diagrama teórico, por esto se puede utilizar el diagrama Fe-C para los aceros ordinarios. Pero principalmente nos ayuda a comprender la esencia de los tratamientos térmicos o mecánicos de los aceros.
Las aleaciones hierro-carbono son de dos tipos, una contiene carbono libre (grafito) y corresponde a un estado estable y el otro contiene Cementita Fe3C y corresponde a un estado metaestable. Por consiguiente, se deben considerar dos diagramas de equilibrio Fe-C. El diagrama Fe-Fe3C se denomina metaestable porque en él se recoge una fase metaestable; es decir, una fase que, con el tiempo (mucho tiempo), tiende a evolucionar a otras verdaderamente estables.
- Fe-Fe3C (metalestable): Comprende aceros y fundiciones blancas, o sea, las aleaciones con el carbono ligado, sin carbono libre (grafito).
- Fe-C (estable): 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).
En el diagrama estable se consigue añadiendo Si como catalizador y con enfriamientos extremadamente lentos especialmente en rangos de baja temperatura y bajo carbono. En cambio, el diagrama metaestable se consigue con Mn como catalizador y enfriamientos lentos, con tiempo suficiente para que se produzcan los procesos de difusión (homogeneización).
Diagrama Estable - Metaestable
El diagrama muestra propiamente, el diagrama Fe-Fe3C (cementita), ya que la Fe3C se considera un componente. La convención impone expresar la concentración en “% C” en lugar del “% Fe3C”; 6,7% en peso C corresponde al 100% en peso de Fe3C.
Dicho diagrama se obtiene experimentalmente identificando los puntos críticos — temperaturas a las que se producen las sucesivas transformaciones— por diversos métodos.
La línea que une los puntos ABCD, recibe el nombre de “liquidus” y marca las temperaturas a las que comienzan a solidificar las aleaciones. Por debajo de esta coexistirán los dos estados, sólido y líquido. Así llegamos a la línea AHJECF, la cual se denomina “solidus”, e indica los puntos donde tiene lugar la solidificación completa.
A la izquierda del diagrama, con un % en carbono de cero o casi cero:
- Comenzaremos en el punto A (1539 °C) se indica la temperatura de solidificación del hierro puro que cristaliza en el sistema cúbico de cuerpo centrado y recibe la denominación de hierro δ.
- Manteniendo el % de C, (en este caso cero), nos encontramos con el punto N (1400° C) con un sistema cúbico de caras centradas y recibe la denominación de hierro γ o austenita.
- Si continuamos bajando, nos encontramos el punto G (910 °C) (temperatura crítica AC3), el hierro, cristaliza en el sistema cúbico de cuerpo centrado (bcc) y recibe la denominación de hierro α o ferrita. En esencia es el mismo hierro que delta pero con parámetro de red menor por efecto de la temperatura.
Es un material dúctil y maleable responsable de la buena forjabilidad de la aleaciones con bajo contenido en carbono y es ferromagnético hasta los 770 °C (temperatura de Curie a la que pierde dicha cualidad; se suele llamar también AC2). La ferrita puede disolver pequeñas cantidades de carbono.
- Observamos que la solidificación tiene lugar en un punto concreto, donde la totalidad de la masa de la aleación funde o se solidifica a una sola temperatura (1130 °C) transformándose en ledeburita y es el más bajo punto de fusión. En este punto coincide la línea de liquidus y solidus.
La ledeburita está compuesta por un 52% de carburo de hierro (Fe3C) y 48% de austenita de 1.76% de C.
Y así como con contenidos inferiores de carbono (hipoeutectoides), se produce la precipitación de la austenita entre el comienzo de la solidificación y el final de la misma. Cuando el carbono esté en porcentajes mayores del 4,3% (hipereutectoides), entre la temperatura de principio y de final de solidificación se depositan cristales de cementita.
En el punto S con un 0.8% de C:
- Denominado eutectoide, es análogo al punto eutéctico. La diferencia está en que en el punto eutéctico tiene lugar un cambio de estado de líquido a sólido o de sólido a líquido, y en el punto eutectoide se produce solamente una transformación de la constitución de la aleación, que es sólida, tanto por encima como por debajo de la temperatura eutectoide (723 °C).
En este punto marca la composición de la austenita, 0.89% de C, o sea, 13.5% de carburo de hierro.
Por debajo de los 723 °C la austenita se convertirá toda ella en perlita.
En la zona hipoeutectoide, la austenita, a partir de la línea A3 (GS), precipitará en ferrita y en los aceros hipereutectoides, a partir de la línea Acm (SE), precipitará en cementita, hasta alcanzar los 723 °C donde el resto de austenita se transformará en perlita.
- Marca la frontera entre los aceros, con menos del 2% de C, y las fundiciones, con más del 2%. Corresponde a la máxima solubilidad de carbono en la austenita.
- Es el límite del gráfico estudiado, corresponde a una concentración de cementita pura.
- Indica el lugar donde la austenita es estable a la mayor temperatura posible. Vemos que el siagrama en este zona presenta una forma inversa al punto eutéctico y eutectoide.
- Es el máximo porcentaje que puede contener en solución sólida el hierro delta.
- Es el máximo porcentaje de carbono que puede disolver la ferrita, que corresponde con la temperatura crítica A1 (723 °C).
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