CAPITULO VIIIEL HIERRO Y SUS ALEACIONES

1. PROPIEDADES DEL HIERRO.El hierro tcnicamente puro, es decir con menos de 0,008 % de Carbono, es un metal blanco azulado, dctil y maleable cuyo peso especfico es 7,87 gr/cm3, funde a 1536 1539 C, reblandecindose antes de llegar a esta temperatura, lo que le permite forjarlo y moldearlo con facilidad, la temperatura de fusin baja en cuanto est aleado con carbono. El hierro es un buen conductor de la electricidad y se imanta fcilmente.

2. CURVA DE ENFRIAMIENTO DEL HIERRO QUIMICAMENTE PURO.Cuando se enfra lentamente el hierro fundido observamos que se solidifica a la temperatura constante de 1536 C, si seguimos descendiendo la temperatura observamos que a 1390 C hay una detencin en el descenso de temperatura, de igual manera ocurre a los 900 C y a los 750 C, estas detenciones se debe al cambio de estructura del hierro, el cual va asociado a un desprendimiento de energa.

A estas temperaturas se les denominan temperaturas o puntos crticos, que los vamos a denominar de la siguiente manera:Ar4 = 1390 C, Ar3 = 900 C, Ar2 = 759 C.Cuando se produce el calentamiento se repiten las mismas anomalas pero a temperaturas ligeramente superiores a las observadas anteriormente, siendo estas las siguientes:Ac2 = 780 C, Ac3 = 920 C, Ac4 = 1410 C.Las diferencias entre las temperaturas de enfriamiento y calentamiento son tanto mayores cuanto mayor es la velocidad en que se desarrollan los dos procesos y se explica como la resistencia que oponen las estructuras cristalinas a transformarse.

CURVA DE ENFRIAMIENTO DEL HIERRO

2.1 VARIEDADES ALOTROPICAS DEL HIERRO PURO.Hasta 768 C el hierro cristaliza en la variedad , red cristalina BCC, a = 0.2860 nm, el Fe prcticamente no disuelve al carbono llegando al 0.008 % a temperatura ambiente y a un mximo de 0.02 % a 723 (727) C; este tipo de hierro es muy magntico.Desde 768 a 910 (920) C existe una variedad , cristalogrficamente es igual al anterior, pero el parmetro a = 0.290 nm a 800 C y a = 0.2905 nm a 900 C, el hierro es dbilmente magntico.

Desde 910 a 1400 C cristaliza en la red FCC, con a = 0.360 nm, se denomina Fe disuelve fcilmente al carbono, creciendo la solubilidad hasta 1.76 % (2,11 %) a 1130 (1146) C , luego decrece hasta 0.12 % a 1492 (1487) C, el Fe es amagntico.Desde 1400 C existe una variedad , observndose una reduccin de a = 0,293 nm, cristalizando en BCC, se le denomina Fe , la mxima solubilidad es 0.07% de C a 1492 (1487) C, el Fe es dbilmente magntico y a partir de 1539 C se inicia la fusin del hierro puro.

3. CARACTERIZACION DE LAS ALEACIONES FERROSASLa caracterizacin de un metal o aleacin esta dada por:COMPOSICION QUIMICA.

ESTRUCTURA.CRISTALINA.MICROGRAFICA O DE GRANO.MACROGRAFICA O DE FIBRA.

CONSTITUCION.

3.1. COMPOSICION QUIMICAANLISIS QUMICO CUANTITATIVO. Mediante procedimientos de docimasia y actualmente mediante espectrgrafos de masa, se pueden determinar el peso de cada uno de los elementos presentes en un acero.DIAGRAMA DE EQUILIBRIO. Es un instrumento grfico, que nos permite determinar rpidamente las proporciones de los elementos bsicos y los constituyentes de las aleaciones ferrosas (Fe-C) a una determinada temperatura.

B. DIAGRAMA DE EQUILIBRIOEst compuesto por la lnea de composiciones (escala logartmica) en cuyo extremo derecho tenemos al Carbono (C Fe3) y en el izquierdo al Fe.El diagrama de equilibrio Fe-C contiene: Tres isotermas, estas son:Isoterma eutectoide a 727 C (723 C),con el punto eutectoide a 0,77 (0.89) % de C.Isoterma eutctica a 1146 (1130) C con el punto eutctico a 4,3 % C.Isoterma Peritctica a 1495 C (1492 C) con el punto peritctico a 0,18 % C ( 0,20) % C.

Tres soluciones slidas:Solucin slida , llamada ferrita (Fe ), comprendida entre el 0,008 % y 0,0218 (0,025) % de solubilidad de C,Solucin slida , llamada austenita (Fe ), comprendida entre 0 % y el 211(1.76)% de solubilidad de C.Solucin slida , comprendida entre 0 y 0.08 % de solubilidad de C; adems se crean varias zonas de mezcla con la fase lquida y las soluciones slidas.

DIAGRAMA DE EQUILIBRIO Fe-C.

A la temperatura ambiente el Fe disuelve una pequea de C, todo el C que contienen estas aleaciones ferrosas estn en forma de carburo de hierro (C Fe3), por eso a estas aleaciones se les denominan tambin aleaciones Fe C Fe3.Las aleaciones con contenido de C entre 0,0218 a 2.11(1.76) % se les denominan aceros, estos pueden alearse con otros elementos formando los denominados aceros aleados, excepcionalmente pueden contener hasta 2,5 % de carbono.Los aceros generalmente son forjables, siendo esta una cualidad entre otras que los distingue.Si la contenido de C es superior a 2.11(1.76 %), se les denominan fundiciones, siendo 6,67 % la mxima cantidad de C, que pueden contener.

3.2 ESTRUCTURA DE LAS ALEACIONES HIERRO - CARBONO.Est compuesta por tres clases de estructuras, como son: estructura cristalina, estructura microgrfica o de grano y estructura macrogrfica o fibra.

A) ESTRUCTURA CRISTALINA.No es uniforme, sino que vara segn los constituyentes de los que est formada la aleacin y estos varan con la composicin y la temperatura, dado que el hierro y otros componentes son alotrpicos.

ESTRUCTURA CRISTALINA

BCC FCC

TETRAGONAL ORTORROMBICO

B) ESTRUCTURA MICROGRAFICA O GRANO.El grano en los aceros tiene una gran importancia por lo que debe cuidarse su formacin y evolucin de su tamao durante la fabricacin y en los tratamientos trmicos. Durante los tratamientos trmicos, el grano de los aceros crece a partir de temperaturas comprendidas entre los 850 a 1000 C; el grano no slo crece con la temperatura sino con la permanencia a estas temperaturas. Las propiedades del acero son en general peores cuanto mayor sea el grano excepto la maquinabilidad, considerndose como normal un acero cuyo tamao de grano sea 5.Esta estructura se observa con el microscopio metalogrfico con el ensayo de metalografa.

ESTRUCTURA MICROGRAFICA O DE GRANO

ESTRUCTURA MACROGRAFICA O DE FIBRA

C) ESTRUCTURA MACROGRAFICA O FIBRA.

Formada por la fibra, la cual depende de las impurezas (escorias) que contenga el acero y la forja a la que se ha sometido.Esta puede ser observada a simple vista y nos indica la direccin de la fibra del acero forjado, la cual es muy importante para el maquinado y la aplicacin de cargas, en elementos en estado slido.

3.3 CONSTITUCION DE LAS ALEACIONES HIERRO CARBONO.En las aleaciones hierrocarbono pueden encontrarse hasta 11 constituyentes, los cuales son: FERRITA (Fe). Es una solucin slida de C en Fe, la solubilidad de C a temperatura ambiente es 0,008 % (0,01 %), por lo que se considera Fe puro, la mxima solubilidad del carbono en el hierro es de 0,0211 % a 727 C (723 C). La ferrita es l mas blando y dctil de los constituyentes del acero, tiene una dureza de 90 HB, resistencia a la rotura de 28 Kg/mm2 (270 Mpa), es magntica.

CONSTITUYENTES DE LAS ALEACIONES FERROSAS

PERLITA Y FERRITA

CEMENTITA. Es carburo de hierro (CFe3) y contiene 6,67 % de C y 93,33% de Fe, es el constituyente ms duro y frgil de los aceros tiene una dureza de 68 HRC) y una resistencia mxima de 6.3 Kg/mm2 (35 MPa), es magntica hasta los 210 C, cristaliza en red ortorrmbica.PERLITA. Est compuesta por 88.5 (86.5)% de ferrita y 11.5 (13.5) % de cementita, tiene una dureza de 19,4 HRC y una resistencia a la rotura de 80 Kg/mm2, el nombre de perlita es por el aspecto iridiscente que presenta al iluminarla, por la formacin alternada de lminas de cementita y ferrita.

Microestructura de dos fases correspondiente a la perlita hallada en un acero con 0.8% en peso de C 500x

Cementita en los bordes de grano

PERLITA Y CEMENTITA

AUSTENITA (Fe). Es el constituyente ms denso de los aceros y est formado por la solucin slida de C en Fe , el C disuelto vara de 0 a 2,11(1,76) %. La austenita est formada por cristales FCC, con tomos de C intercalados en las aristas y en el centro del cubo, tiene una dureza de aprox. 29 HRC con una resistencia de 100 kg/mm2.MARTENSITA. Es el segundo constituyente en el orden de dureza. Es una solucin slida sobresaturada de C en Fe. Se obtiene por tratamiento trmico de temple, tiene la forma de agujas y cristaliza en la red tetragonal por la insercin de los tomo de C, su dureza vara de 50 a 68 HRC, su resistencia mecnica de 175 250 kg/mm2, es magntica.

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