Diagrama hierro-carbono: Introducción al estudio de los aceros

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En entradas anteriores hemos aprendido a interpretar los diagramas de fase y estudiar diagramas de fase binarios y eutécticos. Con esta base estamos preparados para estudiar el diagrama más importantes en ingeniería mecánica, el diagrama hierro-carbono.

Los aceros y fundiciones, es decir, los materiales estructurales principales en cualquier cultura tecnológicamente avanzada, son básicamente aleaciones hierro-carbono.

diagrama hierro carbonoEl hierro puro sufre dos cambios de la estructura cristalina antes de fundir. A temperatura ambiente la forma estable se denomina ferrita (α) y tiene estructura BCC. Es relativamente blanda, magnética por debajo de los 768ºC. La ferrita experimenta a 912ºC una transformación polimórfica a austenita FCC o hierro γ. La austenita persiste hasta 1394ºC, temperatura a la que la austenita vuelve a convertirse en fase BCC conocida como ferrita δ, que funde a 1538ºC.

En la imagen vemos ferrita y austenita respectivamente:

ferrita austenitaEl diagrama representado solo muestra una composición de hasta el 6,7% en peso de C, concentración que coincide con la de la cementita (Fe3C). La cementita se forma cuando se excede el límite de solubilidad del carbono en ferrita α, por debajo de 727ºC. Es dura y frágil, y su presencia aumenta considerablemente la resistencia de algunos aceros.

Prácticamente todos los aceros y fundiciones tienen porcentajes de carbono inferiores a 6,7% de C. Esta parte se denomina rica en hierro, mientras que la situada a la derecha se considera grafito puro. A nosotros nos interesa estudiar la parte rica en hierro.

Dentro de esta parte del diagrama debemos diferenciar entre aceros y fundiciones:

  • Aceros: entre un 0,008 y 2,11% en peso de C (aunque raramente se supera el 1% de C para un acero)
  • Fundiciones: entre un 2,11 y 6,7% en peso de C

Como siempre, vamos a estudiar el desarrollo de microestructuras en este tipo de diagramas:

La microestructura del acero eutectoide es análoga a la de una aleación eutéctica. En un enfriamiento coincidente con la composición eutectoide, en primer lugar tenemos austenita, hasta sobrepasar dicho punto en el cual se forman láminas de ferrita y cementita, fase denominada perlita. Su nombre deriva de su parecido a la madreperla al observarse microscópicamente a pocos aumentos.

acero eutectoideLas capas delgadas claras se corresponden con la ferrita, mientras que las oscuras se corresponden con la cementita. Mecánicamente las perlitas tienen propiedades intermedias entre la blanda y dúctil ferrita y la dura y quebradiza austenita.

perlitaLos aceros hipoeutectoides son aquellos con % de C inferior al eutectoide (entre 0,022 y 0,77% C). En primer lugar tenemos austenita. Posteriormente se empiezan a formar granos de ferrita con la austenita hasta sobrepasar la temperatura eutectoide, donde se forma perlita y ferrita α proeutectoide. La ferrita total será la suma de la ferrita proeutectoide y la ferrita eutectoide de la perlita.

acero hipoeutectoideLa fracción de perlita será: Wp = T / T + U

La fracción de ferrita proeutectoide será: Wα‘ = U / T + U

Las fracciones de ferrita total y cementita se calculan también con la regla de la palanca trazando la línea de reparto desde 0,022 a 6,7%.

acero regla palancaLos aceros hipereutectoides son aquellos con composición comprendida entre 0,77 y 2,11% en peso de C. Este caso es análogo al anterior, pero ahora vemos que se forma cementita en lugar de ferrita. Por lo tanto al final tendríamos perlita y cementita proeutectoide. La cementita total será la suma de la cementita proeutectoide y la cementita eutectoide de la perlita.

acero hipereutectoideLa fracción de perlita será: Wp = X / V + X

La fracción de cementita proeutectoide será: WFe3C = V / V + X

Bibliografía:

Callister, E. D. Introducción a la Ciencia e Ingeniería de los Materiales. Editorial Reverte, 1995.

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Un comentario sobre “Diagrama hierro-carbono: Introducción al estudio de los aceros

    DIRECCIÓN Y COORDINACIÓN BIBLIOTECA escribió:
    16 octubre, 2014 en 18:02

    Reblogueó esto en Biblioteca Uptc Sogamoso.

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