EJERCICIOS RESUELTOS SISTEMA HIERRO-CARBONO

30. Una pieza de acero de 50 Kg contiene 800 g de carbono. Se pide:a) ¿De que tipo de aleación se trata?.b) ¿Cuáles son sus constituyentes y su estructura a temperatura ambiente?c) ¿Cuál es su densidad a temperatura ambiente, sabiendo que la densidad del

hierro “α” es de 7,87 g/cm3 y la de la cementita “Fe3C” de 7,54 g/cm3?.a) Calculamos en primer lugar el porcentaje de carbono que posee:

Por tanto se trata de un acero hipoeutectoide.

b) A partir del diagrama calculamos los constituyentes y su composición o estructura:

c) Finalmente la densidad (ρ) será:

31. Un acero hipoeutectoide (0,4%C) se enfría lentamente desde 970 ºC hasta la temperatura ambiente. Calcula a partir del diagrama Hierro-Carbono simplificado:a) Las fracciones de Austenita (γ) y Ferrita (α) proeutectoide que contendrá

dicho acero cuando se halle a una temperatura justo por encima de la eutectoiude (723+ΔT).

b) Las fracciones de Ferrita (α) y Cementita (Fe3C) que contendrá el acero cuando se halle a una temperatura justo por debajo de la eutectoiude (723-ΔT).

c) Las cantidad de ferrita eutectoide (secundaria) que contendrá la perlita a una temperatura justo por debajo de la eutectoiude (723-ΔT).

a)

b)

c) Teniendo en cuenta que la “austenita” se transforma en “perlita” y que la cantidad total de ferrita es del 94%, la cantidad de ferrita eutectoide que contiene la perlita la obtenemos restando el 94% total menos el 56% de ferrita proeutectoide (primaria):38%.

32. Un acero hipereutectoide (1,2%C) se enfría lentamente desde 970 ºC hasta la temperatura ambiente. Calcula: a) Las fracciones de Austenita () y Cementita (Fe3C) proeutectoide que

contendrá dicho acero cuando se halle a una temperatura justo por encima de la eutectoiude(723+ΔT).

b) Las fracciones de Ferrita (α) y Cementita (Fe3C) que contendrá el acero cuando se halle a una temperatura justo por debajo de la eutectoiude (723-ΔT).

c) La cantidad de cementita eutectoide que contendrá la perlita a una temperatura justo por debajo de la eutectoiude (723-ΔT).

a)

NOTA: la austenita (γ) posteriormente se transforma en Perlita (ferrita+cementita).%64,94%

%36,510089,067,6

89,02,1%

Austenita

Cementita

b)

c) Teniendo en cuenta que la cantidad total de cementita es del 17,75% y que la cantiadad de cementita proeutectoide es del 5,36%, la cantidad de cementita eutectoide que contiene la perlita será será por tanto del 12,39%; es decir:

Fe3C(eutectoide)= Fe3C(total)- Fe3C(proeutectoide)=17,75-5,36=12,39%

33. Una fundición de composición eutéctica (4 %C) se enfría lentamente desde 1200 ºC hasta la temperatura ambiente. Calcula: a) Las fracciones de Austenita () y Cementita (Fe3C) que contendrá la aleación

cuando se halle a una temperatura justo por debajo de la eutéctica (1130-ΔT).b) Las cantidades relativas de Austenita () y las distintas clases de Cementita

(Fe3C) que contendrá la fundición a una temperatura justo por encima de la eutectoiude (723+ΔT).

c) Las cantidades relativas de todos los microconstituyentes cuando la fundición se halle a una temperatura justo por debajo de la eutectoiude (723-ΔT).

a) A la temperatura por debajo de la eutéctica la fundición se encuentra en un campo bifásico Austenita y Cementita de composición:

Ambas no aparecen de forma aislada sino formando un compuesto eutéctico denominado ledeburita

b) A una temperatura justo por encima de la eutectoide la aleación permanece en el mismo campo bifásico de composición:

Se observa que la cementita aparece de dos formas: como cementita eutéctica (41,5%) y como cementita proeutectoide (12,3%), que será la diferencia entre la cementita total (53,8%) y la eutéctica (41,5%)

c) A una temperatura por debajo de la eutectoide tendremos dos fases, ferrita y cementita de composición:

Se observa por tanto que ha ido aumentando la cantidad de cementita ya que ahora se ha creado la cementita eutectoide asociada a la ferrita (perlita):

34. Explica en que consiste el tratamiento térmico del temple, cuales son los factores que influyen en él y que tipos de temple existen fundamentalmente.

Consiste en calentar el acero hasta una temperatura superior a la de austenización (50ºC por encima de la temperatura Ac1 y Ac3) al objeto de transformar toda la masa en austenita (-FCC), seguido de un enfriamiento rápido (con velocidad superior a la crítica) lo que permite que toda la austenita se transforme en martensita e impidiendo de este modo la formación de perlita y/o ferrita que son más blandos. Esta temperatura es mayor para los aceros hipoeutectoides que para los hipereutectoides y con este tratamiento se consigue mejorar la dureza, resistencia mecánica, elasticidad (disminuye), magnetismo, resistencia eléctrica, etc. Ejemplos: herramientas de corte, brocas, sierras, cuhillos, etc.La velocidad crítica de temple se define como la velocidad de enfriamiento mínima para que toda la masa de austenita se transforme en martensita (oscila entre 200-600 ºC/seg). La velocidad de enfriamiento

también influye en el tamaño medio del grano, siendo éste tanto menor cuanto mayor haya sido la velocidad.

Los factores que influyen en el temple son los siguientes: Composición del acero: a mayor contenido de carbono o de otros

elementos si se trata de aceros aleados (Mo, Al, Si, W y V), menor velocidad de enfriamiento se necesita y mayor dureza y profundidad de temple se consigue.

Temperatura de temple: los aceros hipoeutectoides será necesario calentarlos por encima de Ac3+50 ºC ya que el producto preutectoide es más blando (ferrita), mientras que los aceros hipereutectoides bastará con hacerlo por encina de Ac1+50 ºC ya que la cementita en este caso es mas dura.

Tiempo de calentamiento: depende del tamaño de la muestra ya que si el tiempo es corto no se produce la austenización completa de la pieza, y si es excesivo, se puede producir un grano grueso que empobrece el temple.

Velocidad de enfriamiento: debe ser superior a la crítica para impedir que se produzcan otras transformaciones indeseables de la austenita y conseguir así la máxima dureza. Por su parte, la velocidad de enfriamiento depende a su vez de la temperatura de temple, del medio refrigerante y de las dimensiones de la pieza. Así mientras el calentamiento se hace en hornos especiales, el enfriamiento se puede hacer empleando: agua, aceite mineral, baños de sales, aire, etc.

Existen varios tipos de temple entre los que podemos destacar (ver figura siguiente):

Temple continuo de austenización completa: se aplica en aceros hipoeutectoides, calentando el material (ferrita+perlita) hasta Ac3+50 ºC, seguido de un enfriamiento rápido hasta conseguir un único constituyente: la martensita.

Temple continuo de austenización incompleta: se aplica en aceros hipereutectoides, calentando el material (perlita+cementita) hasta Ac1+50 ºC, por lo que ferrita de la perlita se transforma en austenita, quedando intacta la cementita. Enfriando a la velocidad adecuada obtenemos martensita+cementita.

Temple escalonado martensítico: consiste en calentar la pieza de acero hasta la austenización completa y enfriarla rápidamente en un baño de sales hasta una temperatura próxima a 200-300 ºC, donde se mantiene un tiempo para evitar así que la austenita sufra otro tipo de transformación. Una vez que la pieza ha adquirido esa temperatura, se saca del baño y se enfría rápidamente hasta la temperatura ambiente.

Temple superficial: consiste en aplicar un temple superficial (entre 1 y 3 mm) a la pieza en cuestión, enfriándola de forma rápida. El calentamiento se puede hacer por medio de soplete o por inducción eléctrica.