Diagrama Hierro-CarbonoIntroduccin.- El hierro es un metal alotrpico, lo que significa que puede presentarse en diversas variedades de estructuras cristalinas. Al solidificar a 1537 oC lo hace en la forma hierro delta (), que pertenece a la red CC. Cuando desciende la temperatura a 1401 oC tiene lugar un cambio de fase reagrupndose los tomos y dando origen a la variedad hierro gamma ( ), la cual es la red CCC y no magntica. Al proseguir el enfriamiento del metal se presenta un nuevo cambio de fase a 907 oC, pasando de la estructura del hierro de la variedad ,a la hierro alfa (), que pertenece a la CC y tambin es no magntica. Finalmente, a 767 oC aparece un cambio en las propiedades magnticas del hierro , el cual pasa de no magntico a magntico, sin que la estructura cristalina sufra ninguna variacin.

Diagrama Hierro-Carbono

Diagrama Hierro-CarbonoEl diagrama hierro-carbono.- La adicin de elementos de aleacin al hierro influye en las temperaturas a que se producen las transformaciones alotrpicas. Entre estos elementos, el ms importante es el carbono (C), el cual al alearse con el hierro lo hace segn el diagrama de equilibrio representado en la siguiente figura.

Diagrama Hierro-Carbono

Diagrama Hierro-CarbonoEn el diagrama aparecen tres lneas horizontales, las cuales indican reacciones isotrmicas. Consideremos la parte del diagrama situada en el ngulo superior izquierdo de la figura, la cual se muestra ampliada en la siguiente figura. Esta parte se denomina regin delta. A la temperatura de 1493 oC se ubica la reaccin peritctica. La mxima solubilidad del carbono en el hierro es 0,10 %C, mientras que el hierro disuelve al carbono en una proporcin mucho mayor. En cuanto al valor industrial de la regin delta es muy pequeo ya que no se efecta ningn tratamiento trmico en este intervalo de temperaturas.

Diagrama Hierro-CarbonoReaccin peritctica:

+ L

Diagrama Hierro-CarbonoLa siguiente lnea horizontal es la corresponde una temperatura de 1129 oC. Esta temperatura es la de solidificacin el eutectico y la reaccin que en ella se desarrolla es la eutectica:

Lquido + Fe3C

La mezcla eutctica, por lo general, no se ve al microscopio, ya que a la temperatura ambiente la fase no es estable y experimenta otra transformacin durante el enfriamiento.

Diagrama Hierro-CarbonoLa ltima lnea horizontal se presenta a los 722 oC. Esta lnea corresponde a la temperatura y formacin del eutectoide, y al alcanzar un enfriamiento lento la fase debe desaparecer. Esta ecuacin de reaccin puede expresarse como:

+ Fe3C

Diagrama Hierro-CarbonoEn funcin del contenido de carbono suele dividirse el diagrama hierro carbono en dos partes: una que comprende las aleaciones con menos de 2 %C y que se llaman aceros, y otra integrada por las aleaciones con ms de un 2 %C, las cuales se llaman fundiciones. A su vez la regin de los aceros se subdivide en otras dos: una formada por los aceros cuyo contenido de carbono es inferior a la correspondiente a la composicin eutectoide (0,77%C), las cuales se llaman aceros hipoeutectoides, y la otra compuesta por los aceros cuyo contenido se encuentra entre 0,77 y 2 %C y que se conocen como aceros hipereutectoides.

Diagrama Hierro-CarbonoCementita o carburo de hierro contiene 6,67% de carbono en peso y su frmula qumica es Fe3C. Es un compuesto tpicamente duro y frgil de baja resistencia tensil, pero de alta resistencia compresiva. Es la estructura ms dura que aparece en el diagrama. Su estructura cristalina es ortorrmbica. Austenita es el nombre dado a la solucin slida . Es una solucin slida intersticial de carbono disuelto en hierro g (CCC). Su mxima solubilidad es del 2% de carbono. Generalmente no es estable a temperatura ambiente, salvo bajo ciertas condiciones especiales. Ledeburita es la mezcla eutctica de austenita y cementita. Contiene 4,3% de C y se forma a temperatura eutctica.

FERRITAFerrita es el nombre dado a la solucin slida . Es una solucin slida intersticial de una pequea cantidad de carbn disuelta en hierro a (CC). La mxima solubilidad que tiene es 0,025% de C, a temperatura eutectoide, y a temperatura ambiente disuelve 0,008% de C. Esta estructura es la ms blanda de todas las que aparecen en el diagrama, su resistencia es de 2,7 Mpa, es ferromagntico siendo su temperatura de Curie 768C. A partir de esta temperatura hasta los 910C su comportamiento es paramagntico.

A pocos aumentos (figura) se observan una serie de recintos poligonales y equiaxiales, que segn el diagrama corresponden a granos de ferrita, esta microfotografa corresponde a un acero con 0,05%C (acero hipoeutectoide).

FERRITA

x100Fig. 2 x400

FERRITAEn aceros con slo un 0,4 % de carbono (figura) las colonias perlticas se han extendido hasta ocupar una gran superficie. La propia morfologa de los granos de ferrita ha cambiado, presentndose ahora con tendencia acicular, nucleada, con preferencia, en los lmites de grano austentico. En cuanto a la perlita, el espaciado interlaminar de sus constituyentes es menor; su estructura, ms fina.

PERLITAPerlita es el nombre que recibe la mezcla eutectoide que contiene 0,77% C y se forma la temperatura eutectoide en enfriamiento lento. Es una mezcla muy fina tipo laminar de ferrita y cementita, y su microestructura, que recuerda a una huella digital. La base o matriz ferrtica blanca que forma la mayor parte de la mezcla eutectoide contiene delgadas placas de cementita.

Las fundiciones de fierro son aleaciones de Fe con 2 a 4% C y usualmente con 1% Si. Una aleacin de Fe 3% C puede solidificar segn el diagrama de fases de equilibrio, i.e. Fe-grafito, o segn el diagrama metaestable, Fe- Fe3C (cementita).

PERLITACuando esta estructura laminar es muy fina (las lminas son muy delgadas) la perlita se ve al microscopio ptico como negra. Sin embargo ambas fases, ferrita y cementita, en condiciones normales de ataque son blancas. El color oscuro o negro lo producen el gran nmero de lmites de grano existentes entre la matriz ferrtica y las lminas de cementita.

CEMENTITAEs el carburo de hierro Fe3C con un contenido fijo de carbono del 6,67%. Es el constituyente ms duro del acero alcanzando una dureza de 68 HRC. Tambin la morfologa de la cementita es muy variada siendo destacables algunas estructuras tpicas. Se consideran las siguientes en los aceros: cementita secundaria, cementita eutectoide y cementita terciaria.

En los aceros, la cementita libre, no asociada con otras fases suele aparecer en los aceros hipereutectoides, como cementita secundaria, formando una red continua enmarcando una estructura granular formada por colonias de perlita (figura).

CEMENTITA

REACCION EUTECTOIDE EN EL SISTEMA HIERRO-CARBONOReaccin eutectoide.- Si se calienta una aleacin que contiene la composicin eutectoide de 0,77% de C encima de los 727 oC, se produce una estructura que contiene solamente granos de austenita. Cuando la austenita se enfra a 727 oC, se inicia la reaccin eutectoide.

Como ocurre en la reaccin euetctica, las dos fases que se forman tienen una composicin diferente de modo que los tomos deben difundirse durante la reaccin. La mayora del carbono en la austenita difunde a la Fe3C, pero un porcentaje mayor de tomos de hierro difunde hacia . Esta redistribucin de tomos es ms fcil si las distancias de difusin son cortas, que es el caso cuando y Fe3C crecen como laminillas delgadas.

REACCION EUTECTOIDE EN EL SISTEMA HIERRO-CARBONOPerlita.- La estructura laminar de y Fe3C que se desarrolla en el sistema hierro-carbono es llamada perlita. La perlita es un microconstituyente en el acero. Las laminillas en la perlita son mucho ms finas que las que ocurre en el eutctico plomo-estao debido a que los tomos de hierro y de carbono deben difundirse a travs de austenita slida en vez de lquida.

REACCION EUTECTOIDE

SISTEMA HIERRO-CARBONOMicroconstituyentes primarios.- Los aceros hipoeutectoides contienen menos de 0,77% de C y los aceros hipereutectoides contienen ms de 0,77% de C.

Aceros hipoeutectoides.- La ferrita es el microconstituyente primario o proeutectoide en las aleaciones hipoeutectoides, siendo la cementita el microconstituyente primario o proeutectoide en las aleaciones hipereutectoides. Si se calienta una aleacin hipoeutectoide que contiene 0,60% de C por encima de 750 oC, slo permanece austenita en la microestructura. justo por debajo de los 750 oC, la ferrita se precipita y crece, usualmente en los lmites de grano austenticos. La ferrita primaria contina creciendo hasta que la temperatura disminuye a 727 oC. La austenita restantea a esa temperatura se encuentra ahora rodeada por ferrita y ha cambiado su composicin de 0,60% de C a 0,77% de C. El enfriamiento posterior por debajo de los 727 oC provoca que la totalidad de la austenita restante se transforme en perlita por la reaccin eutectoide. La estructura final contiene dos fases ferrita y perlita- distribuidas como dos microcostituyentes ferrita primaria y perlita.

Aceros hipoeutectoides

SISTEMA HIERRO-CARBONOAceros hipoeutectoides.- La microestructura final contiene islas de perlita rodeadas por la ferrita primaria. Esto permite a la aleacin ser resistente, debido a perlita endurecida por dispersin, a la vez que dctil debido a la ferrita primaria continua.

Aceros hipereutectoides.- La fase primaria es Fe3C, la cual de nuevo se forma en los lmites de grano de la austenita. Despus que la austenita se enfra a travs de la reaccin eutectoide, el acero contiene cementita dura y frgil rodeando islas de perlita. Ahora, debido a que el microconstituyente duro y frgil es continuo, el acero tambin es frgil. Afortunadamente, es posible mejorar la microestructura y las propiedades de los aceros hipereutectoides mediante un tratamiento trmico.

Aceros hipereutectoidesCementitaPerlita

MICROFOTOGRAFIA ACERO HIPOEUTECTOIDELa microfotografa que se indica corresponde a un acero hipoeutectoide que muestra primaria (blanco) y perlita (oscuro). FerritaPerlita

MICROFOTOGRAFIA ACERO HIPEREUTECTOIDELa microfotografa que se indica corresponde a un acero hipereutectoide que presenta Fe3C primaria rodeando a la perlita.PerlitaCarburo de hierro (Fe3C)

MICROCONSTITUYENTES DE LOS ACEROS

Microconstituyentes De Aceros No Aleados - Ferrita. - Cementita. - Perlita. Microconstituyentes De Aceros No Aleados y Templados- Martensita. - Estructuras intermedias (Sorbita, Troostita y Bainita).

MICROCONSTITUYENTES DE LOS ACEROS

Otros Microconstituyentes.Adems de los microconstituyentes comentados, los aceros no aleados presentan en sus microestructuras otros elementos de inters. Entre los que se destacan las impurezas, xidos e inclusiones resultado de la deficiente desoxidacin y refino de los mismos. Los xidos se producen en la superficie de la pieza generalmente. Entre las inclusiones destacan las de silicatos y las de sulfuros, principalmente de Mn, que aparecen como granos alargados en la direccin de laminacin, con coloraciones oscuras y gris, respectivamente. La observacin de estos microconstituyentes es conveniente realizarla previamente al ataque de la probeta metalogrfica.