diagrama hierro carbono
DESCRIPTION
Ingenieria DiagramTRANSCRIPT
DIAGRAMA HIERRO CARBONO
Los diagramas de fase permiten que entendamos porqué las características de aceros cambian con el contenido del carbón y nos permiten hacer los aceros con las características que requerimos.
En el diagrama de equilibrio o de fases, Fe-C se representan las transformaciones que sufren los aceros al carbono con la temperatura, de forma que el calentamiento (o enfriamiento) de la mezcla se realiza muy lentamente de modo que los procesos de difusión (homogeneización) tienen tiempo para completarse.
Dicho diagrama se obtiene experimentalmente identificando los puntos críticos —temperaturas a las que se producen las sucesivas transformaciones — por métodos diversos.
De esta forma, nos permite conocer el tipo de acero que se va a conseguir en función de la temperatura y la concentración de carbono que tenga presente.
Este diagrama fue establecido como resultado de las investigaciones hechas por varios científicos.
D. Chernov, comenzó la elaboración del mismo, estableciendo en 1968 los puntos críticos del acero.
Más tarde otros como N. Gutovski, M. Wittorft, Roberts Austen, Roozebom hicieron una grandes aportaciónes al estudio de este diagrama. Los últimos datos acerca del diagrama están expuestos en las 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:
Acero líquido: Mezcla de hierro y carbono a muy alta temperatura, la mezcla está en fase líquida y es homogénea.
Ferrita o hierro (alfa): Sistema cúbico, imanes permanentes.
Hierro (beta): Similar al alfa pero no es magnético.
Austenita o hierro (gamma): Sistema cúbico centrado en las caras.
Hierro (delta): Red cúbica centrada en el cuerpo.
Cementita (Fe3C): Sólido formado por el exceso de carbono en la mezcla (la cantidad que está en exceso sobre la solubilidad y que no puede ser disuelta en la mezcla). Es una sustancia dura y frágil que no puede ser laminada ni forjada.
Fase Símbolo Estructura Características
Ferrita δ δ CC
(C. cuerpo)
Solución sólida de C disuelto intersticialmente en Fe (CC). Fase de alta temperatura.
Austenita γ CCC
(C. caras)
Solución sólida de C disuelto intersticialmente en Fe (CCC). Acepta máximo 2%p C, a
1148ºC. Dúctil y tenaz.Ferrita α CC
(C. cuerpo)
Solución sólida de C disuelto intersticialmente en Fe (CC). Acepta máximo 0,02%p C, a
723ºC. Blanda (120 Hardness Vickers, HV) y dúctil
Cementita Fe3C Ortorrómbica c>b>a
Una fase sólida no metálica, de carácter cerámico. Dura y frágil (1250, HV). Contiene
6,7%p C (25%a. C)
Estas formas alotrópicas tienen diferentes propiedades y el acero adoptará unas u otras en función de cual sea la composición y la temperatura de la mezcla. En función de la utilización que se quiera hacer del producto resultante habrá que conseguir que la forma o las formas alotrópicas producidas sean unas u otras. Esa información se encuentra en el diagrama hierro-carbono.
La posición de un una mezcla de acero en el diagrama de hierro-carbono queda definida por su temperatura y el tanto por ciento en masa de carbono que tiene la mezcla. La temperatura se representa en el eje vertical (ordenadas), el porcentaje de carbono se representa en el eje horizontal (abcisas). El eje horizontal que representa la cantidad de carbón en la mezcla toma valores crecientes hasta el 6,67%.
El diagrama hierro-carbono tiene la forma:
Diagrama Simple
Como se puede observar es un diagrama complejo en el que pueden distinguirse muchas zonas, vamos a explicar las más importantes.
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 OZCD, de principio de solidificación, tiene con la OBYECF el punto común C, 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 aleaciones del 4,3 % de C se solidifican formando un solo constituyente, que también se 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 E 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 S (P), denominado eutectoide, es análogo al punto C, 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 C (eutéctico) marcaba la composición de la aleación que permanecía líquida a más baja temperatura, también el punto P (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 P (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 C (eutéctico). Para contenidos de carbono superiores o inferiores al del punto P (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 aI 0,77%, la austenita, al enfriarse por debajo de la línea Acm (PE), 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 (GP), segrega ferrita hasta llegar a los 727º.
5º.- Punto Y, 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 B, de 0,08 % de C, es el máximo porcentaje que puede contener en solución sólida el hierro delta.
7º.- Por último, el punto L, 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 GP), que es el límite de la ferrita. Este punto crítico varía desde 727º a 912º, según el % de carbono.
Acm = (línea PE), que es el límite de la cementita. Este punto crítico varía entre 727º y 1.148º.
Línea EF = 1.148º, que es el límite de la ledeburita.
La línea OBYECF 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 AZCD 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 BZ), que es el límite superior de la austenita.
Resumiendo y simplificando todo esto para los más profanos:
Diagrama de colores
Las cuatro zonas coloreadas representas las únicas cuatro zonas en las que el acero obtenido está formado por una única fase.
Dentro de la zona verde el acero está en estado líquido. Cuando un acero está dentro de zona amarilla nos encontremos con una
sustancia sólida formada exclusivamente por austenita. La pequeña zona azul correspondiente a aceros con un muy bajo contenido
en C y temperaturas en torno a los 1400ºC se corresponde con una única fase sólida de acero .
La pequeña zona naranja también con bajo contenido en C pero a temperaturas menores (en torno a los 700ºC) se encuentra en fase sólida y está formada por ferrita.
En el resto de las zonas tendremos una mezcla entre las fases indicadas en el gráfico. Sería posible calcular para una composición y una temperatura determinada el porcentaje de cada una de las fases presente en la mezcla, esto es algo que se escapa a los objetivos del curso.