3.
Actividades Diagrama
de fases hierro-carbono
Actividad 3.1
La figura 3.1 muestra el
diagrama de fases hierro-carburo de hierro. Realizar un estudio de
dicho diagrama en el que se incluya las siguientes cuestiones:
a) Importancia
tecnológica. Utilidad.
b) ¿Porqué no se
trata de un verdadero diagrama de equilibrio?
c) Propiedades y
características de las fases sólidas presentes en el diagrama.
d) Reacciones
invariantes que tienen lugar en el diagrama.
Qué
fases están presentes en una aleación Fe - 1%C
i) a 1500oC?
ii) a 750oC? iii) a
700oC?
Actividad 3.3
La verdadera utilidad del hierro empieza cuando es aliado con el
carbono y origina los aceros y las fundiciones.
a) ¿A qué aleaciones se les denomina aceros y a cuales fundiciones?
b) Propiedades generales de los aceros y fundiciones.
Actividad 3.4
a)
Describir los cambios estructurales que tienen lugar cuando un acero
eutectoide se enfría lentamente desde la región austenítica justo por
encima de la temperatura eutectoide.
b) Un acero eutectoide del 0,8% C se enfría lentamente desde 750 oC hasta una temperatura ligeramente inferior a 723 oC. Calcular el porcentaje en peso de ferrita eutectoide y de cementita que se forma.
Actividad 3.5
a) Describir
los cambios estructurales que tienen lugar cuando un acero al carbono
de 0,4%C (hipoeutectoide) se enfría lentamente desde la región
austenítica justo por encima de la temperatura de transformación
superior.b) Un acero al carbono hipoeutectoide del 0,4%C se enfría lentamente desde aproximadamente 900oC. Realizar un análisis de fases a partir del diagrama de fases de la figura 3.4 en los siguientes puntos: i) 900oC ii) 723oC+∆T iii) 723oC-∆Tc) Repetir el apartado b para un acero hipoeutectoide del 0,7%C
Actividad 3.6
a)
Describir los cambios estructurales que tienen lugar cuando un acero al
carbono de 1,2%C (hipereutectoide) se enfría lentamente desde la región
austenítica justo por encima de la temperatura de transformación
superior.b) Un acero al carbono hipereutectoide del 1,2% C se enfría lentamente desde aproximadamente 950oC. Realizar un análisis de fases a partir del diagrama de fases de la figura 3.6 en los siguientes puntos: i) 950oC ii) 723oC+∆T iii) 723oC-∆Tc) Repetir el apartado b para un acero hipereutectoide con 1,05% de C
Actividad 3.7
Perlita eutectoide: definición y propiedades.
Actividad 3.8
Para explicar el diagrama de fases Fe-Fe3C
de la figura 3.1 se ha considerado en todo momento que la velocidad de
enfriamiento era muy lenta, pero ¿qué pasa cuando se realiza un
enfriamiento rápido?
Resolución de las actividades
La figura 3.1 muestra el
diagrama de fases hierro-carburo de hierro. Realizar un estudio de
dicho diagrama en el que se incluya las siguientes cuestiones:
a) Importancia
tecnológica. Utilidad.
b) ¿Porqué no se
trata de un verdadero diagrama de equilibrio?
c) Propiedades y
características de las fases sólidas presentes en el diagrama.
d) Reacciones
invariantes que tienen lugar en el diagrama.
Figura 3.1
Diagrama de fases carburo de hierro-hierro
a) El carbono
es el elemento de aleación capaz de hacer
variar más profundamente las propiedades del hierro, aún encontrándose
en la aleación en una proporción muy pequeña. Resulta así que,
convertido el carbono en el elemento de aleación más importante, el
diagrama de equilibrio hierro-carbono adquiere una extraordinaria
importancia en el estudio y utilización de las distintas aleaciones
tecnológicas del hierro. El diagrama de fases hierro-carbono es el
“mapa” que indica cómo, cuándo y en qué condiciones debe realizarse un
tratamiento térmico y los resultados que deben esperarse del mismo. A
partir del diagrama puede predecirse por ejemplo el tipo de
constituyente mayoritario que tendrá la aleación en función de la
temperatura y del contenido (%) de carbono; conocidos los
constituyentes pueden predecirse entonces las propiedades que tendrá
dicha aleación.
b) El diagrama de fases Fe-Fe3C de la
figura 3.1
muestra las fases presentes en las aleaciones de hierro-carbono
enfriadas muy lentamente, a varias temperaturas y composiciones de
hierro con porcentajes de carbono de hasta el 6,67%. Este diagrama de
fases no es un diagrama de equilibrio verdadero ya que el compuesto
carburo de hierro (Fe3C) no es una verdadera
fase de equilibrio. En
ciertas condiciones, el Fe3C - llamado cementita
– puede descomponerse
en las fases estables de hierro α y carbono (grafito). Sin embargo, en
la mayor parte de las condiciones, el Fe3C es
muy estable y, por tanto,
puede considerarse en la práctica como una fase de equilibrio.
c) El diagrama de fases Fe-Fe3C
contienen las siguientes
fases sólidas:
- Ferrita-α: es una solución sólida intersticial
de carbono en la red cristalina del hierro BCC (cúbica centrada en el
cuerpo). Puede disolver en forma de solución sólida un máximo de 0,02%
en peso de carbono a 723oC. A medida que la
temperatura disminuye, la
solubilidad del carbono también disminuye, siendo de 0,005% a 0oC.
Tiene aproximadamente una resistencia máxima a la rotura de 280 MPa, un
alargamiento del 35% y una dureza de 90 unidades Brinell. Es la forma
más blanda de todos los constituyentes del acero, muy dúctil y
maleable, además de magnética.
- Austenita (γ): es una solución sólida
intersticial de carbono en hierro γ. El hierro γ tiene una estructura
cristalina FCC (cúbica centrada en las caras) y mayor solubilidad en
estado sólido para el carbono que la ferrita α. La máxima solubilidad
en estado sólido del carbono en la austenita es del 2,08% a 1.148oC
y
disminuye a un 0,8% a 723oC. La austenita posee
una resistencia que
oscila entre 850 y 1000 MPa, un alargamiento de 30-60% y una dureza de
300 unidades Brinell. Es blanda, muy dúctil y tenaz. Es amagnética.
Tiene gran resistencia al desgaste, siendo el constituyente más denso
de los aceros.
- Cementita (Fe3C): es un
compuesto intersticial
duro y quebradizo. Tienen límites despreciables de solubilidad y una
composición del 6,67% en carbono y 93,3% en hierro. Es débilmente
ferromagnética a baja temperatura, perdiendo sus propiedades magnéticas
a 217oC.
- Ferrita-δ: es una solución sólida intersticial
de carbono en hierro δ. Tiene estructura cristalina BCC como la ferrita
α pero con una constante de red mayor. La máxima solubilidad en estado
sólido del carbono en ferrita δ es del 0.09% a 1.465 oC.
d) El diagrama de fases Fe-Fe3C
presenta tres reacciones invariantes
cuyas ecuaciones se pueden escribir como sigue:
- a 1.495 oC
tiene lugar una reacción
peritéctica
Líquido (0,53%
C) + Ferrita-δ (0,09% C)
» Austenita
(γ) (0,17% C)
- a 1.148 oC
tiene lugar una reacción
eutéctica
Líquido (4,3%
C)
» Austenita (γ) (2,08% C) + Cementita
(Fe3C) (6,67%C)
>br>
- a 723 oC
tiene lugar una reacción
eutectoide
Austenita (γ)
(0,8% C)
» Ferrita-α (0,02% C)
+ Cementita (Fe3C)
(6,67%C)
Qué
fases están presentes en una aleación Fe - 1%C
i) a 1500oC?
ii) a 750oC? iii) a
700oC?
A partir del
diagrama de fases Fe-Fe3C
de la figura 3.1 se deduce que la austenita (γ) es la única
fase presente a 1.500 oC;
la austenita(γ) + la cementita (Fe3C
) son las fases presentes a 750 oC,
siendo la ferrita-α + la cementita (Fe3C
) las fases presentes a 700oC.
Actividad 3.3
La verdadera utilidad del hierro empieza cuando es aliado con el
carbono y origina los aceros y las fundiciones.
a) ¿A qué aleaciones se les denomina aceros y a cuales fundiciones?
b) Propiedades generales de los aceros y fundiciones.
a) Las
aleaciones de hierro y carbono que tienen, generalmente, desde una
pequeña cantidad (aproximadamente un 0,003%) a un 1,2% de carbono y de
un 0,25 a un 1% de manganeso, así como menores cantidades de otros
elementos (impurezas) reciben la denominación de aceros ordinarios. Las
fundiciones contienen normalmente del 2 al 4% de carbono y del 1 al 3%
de silicio.
Es común dividir el diagrama Fe-Fe3C
(figura 3.1) en dos partes. Aquellas aleaciones que contienen hasta un
2% de C se conocen como aceros, y las de más del 2% de C como
fundiciones. (En la práctica, el contenido en carbono de los aceros y
fundiciones es el expresado en el párrafo anterior.)
A su vez y también tomando como base el diagrama antes
mencionado, el intervalo del acero se subdivide en aquellos que
contienen menos del 0,8% de C (aceros hipoeutectoides), los que
contienen un 0,8% de C (aceros eutectoides) y los que contienen más del
0,8% de C (aceros hipereutectoides)
b) Los aceros son, sin duda, los productos metálicos más
utilizados por la industria, a causa de su bajo coste y a que presentan
una amplia gama de propiedades mecánicas, buena resistencia,
tenacidad y ductilidad, aunque tienen una gran tendencia a la corrosión
(no es el caso de los aceros inoxidables, considerados como las
aleaciones ferrosas más importantes a causa de su alta resistencia a la
corrosión en medios oxidantes).
Variando la forma de calentamiento y enfriamiento de los
aceros se pueden obtener diferentes combinaciones de propiedades
mecánicas. Así por ejemplo, determinados aceros pueden ser tratados
térmicamente por temple y revenido para conseguir aceros de gran
resistencia con una razonable ductilidad; los elementos de aleación
como níquel, cromo y molibdeno se añaden a los aceros para producir
aceros de baja aleación, los cuales presentan una buena combinación de
alta resistencia y tenacidad, siendo de aplicación común en la
industria de automoción para usos como engranajes y ejes.
Las fundiciones son también una familia de aleaciones
ferrosas con una amplia variedad de propiedades. Producen excelentes
aleaciones moldeadas puesto que se funden fácilmente, son muy fluidos
en estado líquido y no forman películas superficiales indeseables
cuando se vierten. Estas aleaciones tienen un amplio rango de
resistencia y dureza, sin embargo tienen, relativamente, baja
resistencia al impacto y ductilidad; esto limita su utilización para
algunas aplicaciones.
Actividad 3.4
a)
Describir los cambios estructurales que tienen lugar cuando un acero
eutectoide se enfría lentamente desde la región austenítica justo por
encima de la temperatura eutectoide.
b) Un acero eutectoide del 0,8% C se enfría lentamente desde 750 oC hasta una temperatura ligeramente inferior a 723 oC. Calcular el porcentaje en peso de ferrita eutectoide y de cementita que se forma.
a) Un acero de un 0,8% C (eutectoide) justo por encima de la temperatura eutectoide (723oC)
se encuentra 100 % en fase de austenita. Si se enfría muy lentamente
hasta temperatura eutectoide -o justo por debajo de ésta-, se provocará
la transformación de la estructura total de la austenita en una
estructura laminar de placas alternadas de ferrita-α y cementita (Fe3C).
Esta estructura eutectoide recibe el nombre de perlita. La estructura
perlítica se mantendrá prácticamente invariable si continua el
enfriamiento hasta la temperatura ambiente.
Figura 3.2 Transformación de un acero eutectoide en condiciones de enfriamiento lento.
Figura 3.3
Microestructura de un acero eutectoide enfriado lentamente: perlita
eutectoide. La fase oscura es cementita y la fase blanca ferrita.
b) El punto "a" del diagrama de fases de la figura 3.2 representa una aleación Fe-0,8% en peso de C a 750oC,
A 750oC, el 100% en peso de la aleación está en fase de austenita (γ) (0,8% de C)
Si la muestra es enfriada hasta justo por debajo de la la temperatura eutectoide (723oC), punto "b" del diagrama, se producirá la siguiente reacción:
Austenita (γ) (0,8% C) » Ferrita-α + Cementita (Fe3C)
A 723oC-∆T
un 88,3% de la aleación está en forma de ferrita- α (0,02% de C) y un
11,7% en forma de cementita ( 6,67% de C), formando la perlita.
Actividad 3.5
a) Describir
los cambios estructurales que tienen lugar cuando un acero al carbono
de 0,4%C (hipoeutectoide) se enfría lentamente desde la región
austenítica justo por encima de la temperatura de transformación
superior.
b) Un acero al carbono hipoeutectoide del 0,4%C se enfría lentamente desde aproximadamente 900oC. Realizar un análisis de fases a partir del diagrama de fases de la figura 3.4 en los siguientes puntos: i) 900oC ii) 723oC+∆T iii) 723oC-∆T
c) Repetir el apartado b para un acero hipoeutectoide del 0,7%C
a)
Un acero de un 0,4%C justo por encima de la temperatura de
transformación se encuentra 100 % en fase de austenita. Si se enfría
muy lentamente hasta la temperatura b de la figura 3.4, se
producirá la transformación de parte de la estructura de la
austenita en ferrita-α (ferrita proeutectoide), que crecerá
mayoritariamente en los bordes de grano austeníticos. Conforme se va
enfriando, acercándose a la temperatura eutectoide (723oC+∆T),
punto c de la figura, la cantidad de ferrita proeutectoide formada irá
aumentando hasta que transforme aproximadamente el 50% de la austenita.
A 723 oC, si prevalecen las
condiciones de enfriamiento muy lento, la austenita remanente se
transformará en perlita (ferrita-α + cementita). La ferrita-α de la
perlita se llama ferrita eutectoide, para distinguirla de la ferrita
proeutectoide formada anteriormente por encima de 723oC.
Figura 3.4 Transformación de un acero hipoeutectoide de 0,4%C en condiciones de enfriamiento lento.
Figura 3.5
Microestructura de un acero hipoeutectoide de 0,35%C enfriado
lentamente a partir de la región austenítica. El componente oscuro es
perlita y el blanco ferrita proeutectoide.
b)
El punto "a" del diagrama de fases de la figura 3.4 representa un acero
hipoeutectoide 0,4% en peso de C aproximadamente a 900oC,
A 900 oC, el 100% en peso de la aleación está en fase de austenita (γ) (0,4% de C)
Si la muestra se somete a enfriamiento lento desde 900oC a una temperatura ligeramente superior a 723oC,
punto c del diagrama, una parte de la Austenita (γ) se transformará en
Ferrita-α; se trata ahora de conocer que % de austenita se transforma
en ferrita-α.
A 723oC+∆T
un 51,3% del acero está en forma de ferrita- α proeutectoide (0,02% de
C) y un 48,7% continua en forma de austenita ( 0,8% de C).
Si la muestra es ahora enfriada lentamente hasta justo por debajo de la la temperatura eutectoide (723oC),
punto d del diagrama, se provocará la transformación de la austenita
remanente (un 48,7%) en ferrita-α y cementita según la reacción que
sigue:
Austenita (γ) (0,8% C) » Ferrita-α + Cementita (Fe3C)
A 723oC-∆T
un 94,3% de la aleación está en forma de ferrita-α (0,02% de C) y un
5,7% en forma de cementita (6,67% de C). Del 94,3% de ferrita-α
presente en el acero, el 51,3% es ferrita-α proeutectoide y el 43% es
ferrita-α eutectoide.
El acero hipoeutectoide con 0,4%C presenta a una temperatura ligeramente inferior a 723oC un 51,3% de ferrita-α proeutectoide y un 48,7% de perlita (43% ferrita-α eutectoide + 5,7 cementita eutectoide).
c) A 900 oC, el 100% en peso de la aleación está en fase de austenita (γ) (0,7% de C)
A 723oC+∆T
un 12,8% del acero está en forma de ferrita- α proeutectoide (0,02% de
C) y un 87,2% continua en forma de austenita ( 0,8% de C).
A 723oC-∆T
un 89,8% de la aleación está en forma de ferrita-α (0,02% de C) y un
10,2% en forma de cementita (6,67% de C). Del 89,8% de ferrita-α
presente en el acero, el 12,8% es ferrita-α proeutectoide y el 77% es
ferrita-α eutectoide.
El
acero hipoeutectoide 0,7%C presenta a una temperatura ligeramente
inferior a 723oC un 12,8% de ferrita-α proeutectoide y un 87,2% de
perlita (77% ferrita-α eutectoide + 10,2% cementita eutectoide).
A continuación se recogen en forma de tabla los resultados obtenidos, a 723oC-∆T, en los apartados b y c más los obtenidos en la actividad 3.4 referentes a un acero eutectoide:
|
|
% de ferrita-α proeutectoide
|
% de perlita
|
|
Acero
hipoeutectoide 0,4 %C
|
51,3
|
48,7
|
|
Acero
hipoeutectoide 0,7 %C
|
12,8
|
87,2
|
|
Acero
eutectoide 0,8 % C
|
-
|
100
|
Conclusión:
Cuanto
mayor sea la proximidad del contenido de carbono del acero
hipoeutectoide a la composición eutectoide (0,8%C) más cantidad de
perlita estará presente en la microestructura del acero.
Actividad 3.6
a)
Describir los cambios estructurales que tienen lugar cuando un acero al
carbono de 1,2%C (hipereutectoide) se enfría lentamente desde la región
austenítica justo por encima de la temperatura de transformación
superior.
b) Un acero al carbono hipereutectoide del 1,2% C se enfría lentamente desde aproximadamente 950oC. Realizar un análisis de fases a partir del diagrama de fases de la figura 3.6 en los siguientes puntos: i) 950oC ii) 723oC+∆T iii) 723oC-∆T
c) Repetir el apartado b para un acero hipereutectoide con 1,05% de C
a)
Un acero de un 1,2%C justo por encima de la temperatura de
transformación se encuentra 100 % en fase de austenita. Si se enfría
muy lentamente hasta la temperatura b de la figura 3.6, se
producirá la transformación de parte de la estructura de la
austenita en cementita (Fe3C)
(cementita proeutectoide), que crecerá principalmente en los bordes de
grano de la austenita. Con otro enfriamiento también lento hasta el
punto c, acercándose a la temperatura eutectoide (723oC+∆T), se formará más cementita proeutectoide en los citados bordes. A 723 oC,
o justo por debajo, si prevalecen las condiciones de enfriamiento muy
lento, la austenita remanente se transformará en perlita según la
reacción eutectoide. La cementita formada según la reacción eutectoide
se denomina cementita eutectoide, para distinguirla de la cementita
proeutectoide formada a temperaturas por encima de 723oC. La ferrita-α de la perlita es ferrita eutectoide, formada también mediante la reacción eutectoide.
Figura 3.6 Transformación de un acero hipereutectoide de 1,2%C en condiciones de enfriamiento lento.
Figura 3.7
Microestructura de un acero hipereutectoide de 1,2%C enfriado
lentamente a partir de la región austenítica. La cementita
proeutectoide aparece como el constituyente blanco, alrededor de la
perlita. La cementita perlítica toma la forma de láminas oscuras
paralelas separadas por otras blancas de ferrita.
b)
El punto "a" del diagrama de fases de la figura 3.6 representa un acero
hipereutectoide 1,2% en peso de C aproximadamente a 950oC,
A 950 oC, el 100% en peso de la aleación está en fase de austenita (γ) (1,2% de C)
Si la muestra se somete a enfriamiento lento desde 950oC a una temperatura ligeramente superior a 723oC,
punto "c" del diagrama, una parte de la Austenita (γ) se transformará
en cementita; se trata ahora de conocer que % de austenita se
transforma en cementita.
A 723oC+∆T
un 6,8% del acero está en forma de cementita proeutectoide (6,67% de C)
y un 93,2% continua en forma de austenita ( 0,8% de C).
Si la muestra es ahora enfriada lentamente hasta justo por debajo de la la temperatura eutectoide (723oC),
punto d del diagrama, se provocará la transformación de la austenita
remanente (un 93,2%) en ferrita-α y cementita según la reacción que
sigue:
Austenita (γ) (0,8% C) » Ferrita-α + Cementita (Fe3C)
A 723oC-∆T un 17,7% de la aleación está en forma de Cementita (Fe3C)
(6,67% de C) y un 82,3% en forma de ferrita-α eutectoide (0,02% de C).
Del 17,7% de cementita presente en el acero, el 6,8% es cementita
proeutectoide y el 10,9% es cementita eutectoide.
El acero hipereutectoide 1,2%C presenta a una temperatura ligeramente inferior a 723oC un 6,8% de cementita proeutectoide y un 93,2% de perlita (10,9% cementita eutectoide + 82,3 ferrita-α eutectoide).
c) A 950 oC, el 100% en peso de la aleación está en fase de austenita (γ) (1,05% de C)
A 723oC+∆T
un 4,3% del acero está en forma de cementita proeutectoide (6,67% de C)
y un 95,7% continua en forma de austenita ( 0,8% de C).
A 723oC-∆T un 15,5% de la aleación está en forma de Cementita (Fe3C)
(6,67% de C) y un 84,5% en forma de ferrita-α eutectoide (0,02% de C).
Del 15,5% de cementita presente en el acero, el 4,3% es cementita
proeutectoide y el 11,2% es cementita eutectoide.
El acero hipereutectoide 1,05%C presenta a una temperatura ligeramente inferior a 723oC un 4,3% de cementita proeutectoide y un 95,7% de perlita (11,2% cementita eutectoide + 84,5% ferrita-α eutectoide).
A
continuación se recogen en forma de tabla los resultados obtenidos, a
723oC-∆T, en los apartados b y c más los obtenidos en la actividad 3.4
referentes a un acero eutectoide:
|
|
% de cementita proeutectoide
|
% de perlita
|
|
Acero
eutectoide 0,8 % C
|
-
|
100
|
|
Acero
hipereutectoide 1,05%C
|
4,3
|
95,7
|
|
Acero hipereutectoide
1,2 %C
|
6,8
|
93,2
|
Conclusión:
A
medida que el contenido de carbono de cualquier acero hipereutectoide
aumenta, el espesor de la red de cementita proeutectoide se incrementa.
Actividad 3.7
Perlita eutectoide: definición y propiedades.
La perlita es un constituyente eutectoide formado por láminas paralelas y alternadas de ferrita-α y cementita (Fe3C)
producida por la descomposición eutectoide de la austenita. Tiene una
resistencia máxima a la rotura de casi 800 MPa, un alargamiento de
aproximadamente un 15% y una dureza de 200 unidades Brinell.
Actividad 3.8Para explicar el diagrama de fases Fe-Fe3C
de la figura 3.1 se ha considerado en todo momento que la
velocidad de enfriamiento era muy lenta, pero ¿qué pasa cuando se
realiza un enfriamiento rápido?
Ante
un enfriamiento a velocidad elevada el material obtenido mantiene el
tipo de constituyente de partida ya que no se le ha dado el tiempo
suficiente para que se produzcan los cambios de estructura. Por
ejemplo: una aleación hierro-0,5% de C a la temperatura de 1200 oC se encuentra 100% en forma de austenita; si enfriamos la muestra rápidamente desde 1200oC a temperatura ambiente, obtendremos un acero totalmente austenítico.
