ciencia materiales 09 semana 14 al 18 diciembre 2015

8/17/2019 Ciencia Materiales 09 Semana 14 Al 18 Diciembre 2015

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ING. MEC. OCTAVIO ARIAS

UNIVERSIDAD TÉCNICA DEL NORTEFACUTAD DE INGENIERÍA EN CIENCIAS APLICADAS

CARRERA DE INGENIERÍA INDUSTRIALCIENCIA DE LOS MATERIALES

TEMA: Diagrama Hierro-Carbono

SEMANA: 14 al 18 diciembre 2015

META DE APRENDIZAJE: Capacidad para analizar problemas e identificación de losrequerimientos necesarios para la producción del acero y sus productos derivados.

MARCO TEÓRICO

DIAGRAMA HIERRO CARBONO

El hierro puro apenas tiene aplicaciones industriales. Pero formando aleaciones con carbono y otros

elementos es el metal más utilizado en ingeniería.

Como paso previo al estudio de las aleaciones hierro-carbono, es necesario el análisis del diagrama de

fases porque nos permite:

Conocer la naturaleza y características de las fases y constituyentes a distintas temperaturas.

Conocer las características de las transformaciones.

El estado actual del diagrama de equilibrio de las aleaciones hierro-carbono fue establecido como

resultado de las investigaciones hechas por varios científicos. La elaboración de este diagrama fue

empezada por D. Chernov, quien estableció en 1968 los puntos críticos del acero. Más tarde volvió a

estudiar reiteradamente este diagrama. N. Gutovski, M. Wittorft, Roberts Austen, Roozebom hicieron una

gran aportación al estudio de este diagrama. Los últimos datos acerca del diagrama están expuestos enlas obras de I. Kornilov.

Las aleaciones hierro-carbono pertenecen al tipo de aleaciones que forman una composición química.

El carbono se puede encontrar en las aleaciones hierro-carbono, tanto en estado ligado (Fe3C), como en

estado libre (C, es decir, grafito), por eso, el diagrama comprende dos sistemas:

-Fe3C (metalestable); este sistema está representado en el diagrama con líneas llenas gruesas y

comprende aceros y fundiciones blancas, o sea, las aleaciones con el carbono ligado, sin carbono libre

(grafito);

-C (estable); en el diagrama se representa con líneas punteadas; 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).

Para estudiar las transformaciones que tienen lugar en aceros y fundiciones blancas se emplea el diagrama

Fe-Fe3C, y para estudiar fundiciones grises, ambos diagramas (Fe-Fe3C y Fe-C).

La temperatura a que tienen lugar los cambios alotrópicos en el hierro está influida por elementos de

aleación, de los cuales el más importante es el carbono.

La reacción eutectoide más importante es la que se produce en los aceros. Es necesario contar con la

comprensión definida de las reacciones eutéticas y las eutectoides, para poder entender lo referente a

los aceros al carbono y para estar capacitados para interpretar debidamente el diagrama del hierro

carburo de hierro que es, probablemente, el más importante de todos los diagramas de equilibrio de los

metales.

A continuación, se muestra el diagrama de equilibrio del hierro-carbono:


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Las estructuras que aparecen en el diagrama de equilibrio son las siguientes:

Señor estudiante revise para profundizar sobre las estructuras:Diagrama de equilibrio Hierro-Carburo de Hierro (Avner, 1988, pp. 229-251)


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A la vista del diagrama podemos apreciar que en el eje de las abscisas hay cuatro puntos bien

definidos:

1º.- El límite del diagrama corresponde a una proporción de carbono del 6,67 % que es el de

la cementita pura. Las aleaciones hiero-carbono con carbono en proporción superior al 6,67

%, lo contendrán en forma de grafito y, por tanto, están excluidas de las aleaciones ahora

consideradas, que deben estar formadas única y exclusivamente con carbono combinado con

el hierro en forma de carburo de hierro.

2º.- El punto C denominado eutéctico, correspondiente a una proporción de carbono del 4,3%, y de carburo de hierro en total de 64,5 %. La aleación del 4,3 % de carbono es la de más

bajo punto de fusión (1.130°) (1.148º). Además, la totalidad de la masa de la aleación funde

o se solidifica a una sola temperatura en lugar de a dos temperaturas, una de principio y otra

de fin del cambio de estado (fusión o solidificación, como ocurre con las aleaciones de

contenido de carbono superior o inferior al 4,3 %).

Por eso la línea ABE.., de principio de solidificación, tiene con la AMPCED el punto común E,

que es el eutéctico.

Y así como con contenidos inferiores de carbono entre el principio y el fin de la solidificación

se va precipitando austenita, y para aleaciones de contenidos de carbono superiores al 4,3 %

entre el principio y el fin de la solidificación se precipitan cristales de cementita, las aleacionesdel 4,3 % de C se solidifican formando un solo constituyente, que también se


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denomina eutéctico y es la ledeburita, formado, como se sabe, por el 52 % de cementita y el

48 % de austenita de 2,11% de carbono a 1.148 grados.

3º.- El punto C marca la máxima solubilidad del carbono en hierro gamma; es decir, que es

el punto de máximo contenido de carbono de la austenita, que, como se recordará, es solución

sólida de carbono en hierro gamma. Este punto corresponde a un contenido de carbono de

2,11%.

4º.- El punto J, denominado eutectoide, es análogo al punto E, que denominábamos 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 lo mismo a temperaturas

inferiores que a temperaturas superiores al punto eutectoide.

La analogía, salvo esta diferencia, es total. Así como el punto E (eutéctico) marcaba la

composición de la aleación que permanecía líquida a más baja temperatura, también el punto

J (eutectoide) marca la composición de la austenita, que es estable a más baja temperatura.

Este porcentaje es de 0,89% (0,77%) de C, o sea, 13,5% de carburo de hierro.

Además, la totalidad de la masa de la austenita, de composición eutectoide, se transforma

íntegramente al pasar por el punto J (eutectoide) en perlita, que es el constituyente eutectoide,

igual que era la ledeburita el constituyente eutéctico que se formaba al solidificarse la aleación

en el punto E (eutéctico). Para contenidos de carbono superiores o inferiores al del punto J

(0,77% de C), la austenita va segregando un constituyente nuevo hasta que, al llegar a la

temperatura de 727º, la austenita alcanza la composición eutectoide y se transforma

íntegramente en perlita. Para porcentajes de carbono superiores al 0,77%, la austenita, al

enfriarse por debajo de la línea JC, segrega cementita hasta llegar a los 727º. Y para

porcentajes de carbono inferiores al 0,77% de C, la austenita, al bajar en su enfriamiento de

temperaturas inferiores a las de la línea A3 GJ, segrega ferrita hasta llegar a los 727º.


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5º.- Punto P, cuyo porcentaje de carbono de 0,18 % es el de la austenita, que permanece

estable a la más alta temperatura de 1.492°. Este punto se denomina peritéctico, y puede

considerarse como un punto eutéctico al revés.

6º.- El punto M, de 0,08 % de C, es el máximo porcentaje que puede contener en solución

sólida el hierro delta.

7º.- Por último, el punto H, de 0,022% de C, que es el máximo porcentaje de carbono que

puede disolver la ferrita.

Se ha marcado también en el diagrama, en el eje de las abscisas, un punto que corresponde

a 0,022% de carbono, que es el mínimo que puede contener el hierro para que se considere

aleación hierro-carbono. Por debajo de este porcentaje de carbono se considera como hierro

técnicamente puro.

En el eje de las ordenadas hay los siguientes puntos críticos:

Ao = 230º, en el que tiene lugar el cambio magnético de la cementita. Es decir, hasta 230º la

cementita es magnética, y por encima de esta temperatura deja de ser magnética.

A1 = 727º, que es el límite de la perlita.

A2 = 768°, que es la temperatura de cambio magnético de la ferrita. Por encima de esta

temperatura, la ferrita deja de ser magnética.

A3 = (línea GJ), que es el l ímite de la ferrita. Este punto crítico varía desde 727º a 912º, según

el % de carbono.

Acm = (línea JC), que es el límite de la cementita. Este punto crítico varía entre 727º y 1.148º.

Línea CD = 1.148º, que es el límite de la ledeburita.

La línea AMPCED es la de temperaturas de iniciación de la fusión al calentar o de terminación

de la solidificación al enfriar. Por debajo de esta línea todo el metal está sólido.

La línea ABE.. es la de temperaturas de fin de la fusión al calentar o de iniciación de la

solidificación al enfriar. Por encima de ella todo el metal está en estado líquido. Entre esta línea

y la anterior existe una mezcla de líquido y sólido.

Línea A4 = (línea MB), que es el límite superior de la austenita.

Definición de las estructuras

Definición de estructuras. Ahora se definirán los nombres que por razones descriptivas o

conmemorativas, se han asignado a las estructuras que aparecen en este diagrama.

La cementita o carburo de hierro, fórmula química Fe3C, contiene

6,667% de C por peso. Es un compuesto intersticial típicamente duro

y frágil de baja resistencia tensil (aprox. 5000 lb/plg^2), pero de alta

resistencia compresiva. Es la estructura más dura que aparece en el

diagrama. Su estructura cristalina es ortorrómbica.


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Austenita es el nombre dado a la solución sólida y, es una solución

sólida intersticial de carbón disuelto en hierro . Es una solución

sólida intersticial de carbón disuelto en hierro (FCC) La máxima

solubilidad es del 2% de C a 2065°C a 10065°F (punto C). Laspropiedades promedio son: resistencia tensil, 150 000 lb/plg^2;

elongación 10 por ciento en 2 plg; dureza, Rockwell C 40, aprox. Y

tenacidad alta. Generalmente no es estable a la temperatura

ambiente. Bajo ciertas condiciones, es posible obtener austenita a la

temperatura ambiente y su microestructura.

Ledeburita. Es la mezcla eutéctica de austenita y

cementita, contiene 4.3% de C y se forma a 2065°C

Ferrita es el nombre dado a la solución Es una solución sólida

intersticial de una pequeña cantidad de carbón disuelto en

hierro a BCC. La máxima solubilidad es 0.025% de C a

temperatura ambiente. Es la estructura más suave que aparece

en el diagrama. Las propiedades promedio son: resistenciatensil, 40 000 lb/pulg^2 elongación, 40 por ciento en 2 plg;

dureza, menor que la Rockwell C o que la Rockwell B 90.

Perlita. Es la mezcla eutectoide que contiene 0.8 por

ciento de C y se forma a 1333°F a un enfriamiento muy

lento. Es una mezcla muy fina, tipo placa o laminar de

ferrita y cementita. La figura muestra la fina mezcla tipo

huella dactilar, llamada perlita. La base o matriz ferrítica

blanca que forma la mayoría de la mezcla eutectoidecontiene delgadas placas de cementita. La figura

muestra la misma estructura amplificada 17 000 veces

con el microscopio de electrones. Las propiedades

promedio son: resistencia tensil, 120 000 lb/plg^2;

elongación 20% en propiedades promedio son: resistencia tensil 120 000 lb/plg^2, elongación

20% en 2 plg, dureza Rockwell C 20, Rockwell B 95-100 o BHN 250-300


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PROBLEMAS DE ANÁLISIS DE DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO:


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Señor estudiante revise:Diagrama Hierro-Carbono:http://auladetecnologias.blogspot.com/2009/10/diagrama-fe-c.html Diagrama Hierro-Carbono:

http://www.uca.edu.sv/facultad/clases/ing/m210031/Tema%2013.pdf Diagrama Fe C: http://es.slideshare.net/krizx/diagrama-fe-c

Señor estudiante revise:Diagramas de Hierro Carbono: https://www.youtube.com/watch?v=A41-C-MZU48 Diagramas de fases Hierro Carbono:https://www.youtube.com/watch?v=zvepHRZt6J0

Ingeniería de materiales. Diagr. de Equil. Diagr. de Aleac. de Ingen. Diagr. hierro-carbono: https://www.youtube.com/watch?v=CUAobP_DOYk

http://auladetecnologias.blogspot.com/2009/10/diagrama-fe-c.htmlhttp://auladetecnologias.blogspot.com/2009/10/diagrama-fe-c.htmlhttp://www.uca.edu.sv/facultad/clases/ing/m210031/Tema%2013.pdfhttp://www.uca.edu.sv/facultad/clases/ing/m210031/Tema%2013.pdfhttp://es.slideshare.net/krizx/diagrama-fe-chttp://es.slideshare.net/krizx/diagrama-fe-chttp://es.slideshare.net/krizx/diagrama-fe-chttps://www.youtube.com/watch?v=A41-C-MZU48https://www.youtube.com/watch?v=A41-C-MZU48https://www.youtube.com/watch?v=A41-C-MZU48https://www.youtube.com/watch?v=zvepHRZt6J0https://www.youtube.com/watch?v=zvepHRZt6J0https://www.youtube.com/watch?v=CUAobP_DOYkhttps://www.youtube.com/watch?v=CUAobP_DOYkhttps://www.youtube.com/watch?v=CUAobP_DOYkhttps://www.youtube.com/watch?v=CUAobP_DOYkhttps://www.youtube.com/watch?v=zvepHRZt6J0https://www.youtube.com/watch?v=A41-C-MZU48http://es.slideshare.net/krizx/diagrama-fe-chttp://www.uca.edu.sv/facultad/clases/ing/m210031/Tema%2013.pdfhttp://auladetecnologias.blogspot.com/2009/10/diagrama-fe-c.html


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ACTIVIDADES

PRIMERA PARTE: Señores estudiantes, como parte del proceso de formación realice el siguiente

cuestionario:

1. ¿Qué porcentaje de hierro y carbono tiene el eutéctico (ledeburita)?

2.

¿A qué temperaturas empieza y termina de solidificar el eutéctico?

3. ¿En qué se transforma el líquido y en qué proporción cuando da lugar al eutéctico?

4.

Cuando la temperatura del eutéctico desciende de los 700 °C, ¿qué transformaciones se

producen?

5.

Porcentaje máximo de solubilidad de carbono en austenita y temperatura a la que se

produce.

6.

Temperaturas de solidificación del hierro puro y de la ledeburita (eutéctico).

7.

Porcentaje de fases (ferrita-cementita) que componen el eutectoide (perlita). Indique la

temperatura a la que se forma el eutectoide.

8.

Porcentaje de constituyentes (ferrita-perlita) de un acero con el 0,6% de C a temperatura

ambiente.9. Indique qué porcentajes de carbono pueden tener los aceros y las fundiciones de hierro.

10. ¿Cómo se denominan los componentes estructurales eutectoide y eutéctico y cuál es su

porcentaje de carbono en cada caso?

11. Indique cómo se clasifican los aceros y fundiciones que tienen porcentajes de carbono

diferentes a los de la pregunta anterior.

12. Para el compuesto eutéctico, determine la temperatura a la que ocurre la solidificación y la

proporción de sus constituyentes al término de dicha solidificación.

13. Porcentaje de hierro y carbono del eutectoide (perlita).

14. Temperatura a la que empieza a solidificar la solución líquida que dará lugar al eutectoide,

temperatura a la termina la solidificación y constituyentes al terminar la solidificación.15. ¿Qué transformación se produce en la solución líquida que dará lugar al eutectoide cuando

la temperatura desciende por debajo de los 700 °C?

16. ¿Qué constituyentes existen en el eutectoide y en qué proporción a temperatura ambiente?

17. Porcentaje máximo de solubilidad de C en austenita y en ferrita y temperaturas a las que se

da esa máxima solubilidad.

18. Temperatura de solidificación del hierro puro y de transformación del hierro puro γ en hierro

puro α.

19.

Porcentajes de hierro y de carbono en el eutéctico (ledeburita). Indique la temperatura a la

que se forma este eutéctico.

20.

Porcentaje de constituyentes (cementita-perlita) de un acero 1.8% de C a temperatura

ambiente.

SEGUNDA PARTE: Señores estudiantes, como parte del proceso de formación realice los

siguiente problemas:

1.

Del diagrama Fe-C que se adjunta, se pueden extraer los siguientes datos:

A 960 ºC el carbono puede disolverse en la austenita hasta un 1,5%.

A 600 ºC el carbono puede disolverse en la ferrita hasta un 0,067%.

Se desea saber las fases presentes y su composición:

a) En una aleación con un 1% de Carbono, a las temperaturas de 600 y 960 ºC.b) En una aleación con el 2% de carbono, a la temperatura de 960 ºC.


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2.

Una fundición ferrítica con 3% de C se encuentra en equilibrio a la temperatura ambiente.

Se sabe que la solubilidad de C en el Feα a la temperatura ambiente es de 0,008%.

Determine:

a) Fases presentes en su composición.

b) Cantidades relativas de cada una.

3.

Un fabricante de maquinaria dispone de dos aleaciones férreas con un contenido del 0,8%

y del 3,5% en peso de carbono y el resto de hierro. Se pide:

a) Indicar qué tipo de aleación industrial es cada una de ellas.

b) Si tuviera que elegir una de las dos para fabricar un eje de una máquina, ¿cuál de ellas

escogería y por qué?.

c) Si la aleación del 3,5% de carbono se funde y se deja enfriar muy lentamente en un

molde hasta la temperatura ambiente, decir cómo se encuentra el carbono en la aleación y

qué fases aparecerán en la estructura a la temperatura ambiente.

4.

En el diagrama Fe-C calcúlese el porcentaje de ferrita que tenemos en la perlita, a la

temperatura de su formación 727°C y a la temperatura ambiente.

5. En el diagrama Fe-C, limitado a la zona de los aceros en estado sólido. Se dispone de 90 kg

de aleación con 0,4% en carbono, calcúlese:

a. Cantidad de austenita que se transforma al atravesar el punto eutectoide.

b.

Cantidad de cementita y de ferrita dentro de la perlita, tanto en su formación como a

la temperatura ambiente.

c. Cantidad de perlita a la temperatura ambiente.

Nota: Enviarlo al aula virtual hasta el 23 de diciembre del 2015: www.edmodo.com
http://www.edmodo.com/http://www.edmodo.com/http://www.edmodo.com/

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