Tema 4. Aleaciones Hierro-Carbono. Aceros y …

1 Ciencia de Materiales, 4 curso, 2004/2005 1 Tema 4. Aleaciones Hierro-Carbono. Aceros y Fundiciones. Diagrama Fe-C. Aceros y fundiciones. Aceros inoxidables. Curvas TTT de Aceros . El sistema de Aleaciones binario m s importante es el hierro-carbono. Los Aceros y fundiciones son Aleaciones hierro-carbono. La clasificaci n de las Aleaciones f rreas seg n el contenido en carbono comprende tres grandes grupos: hierro cuando contiene menos del % en peso de C, acero cuando la aleaci n Fe-C tiene un contenido en C mayor del y menor del % en peso (aunque generalmente contienen menos del 1 %), y fundici n cuando la aleaci n Fe-C tiene un contenido en C superior al % (aunque generalmente contienen entre el y el 4 % de C).

2 Diagrama Fe-C. Fases en el sistema Fe-Fe3C. En la figura se representa el diagrama de fases del sistema binario Fe- Fe3C para contenidos altos de hierro. El hierro sufre cambios estructurales con la temperatura antes de fundir. A temperatura ambiente la forma estable es la ferrita o Fe- (estructura CCI). A 912 C la ferrita sufre una transformaci n polim rfica a austenita o Fe- (CCC). La austenita se transforma a otra fase CCI a 1394 C que se conoce como ferrita- , la cual funde a1538 C. Todos estos cambios se pueden observar en el eje vertical del diagrama de fases para el hierro puro. El otro eje de la figura s lo llega al % en peso de C, concentraci n que coincide con el 100 % molar del compuesto intermedio Fe3C conocido como carburo de hierro o cementita.

3 La parte entre el % de C y el 100 % de C (grafito puro) no es importante desde el punto de vista tecnol gico y no se va a estudiar. El carbono en un soluto intersticial en el hierro y forma disoluciones s lidas con la ferrita ( y ) y con la austenita ( ). La ferrita tiene una estructura CCI y en los intersticios se puede situar muy poco carbono, el m ximo es un % a 727 C. Aunque en proporci n muy baja, el carbono afecta mucho a las propiedades mec nicas de la ferrita. Esta fase es relativamente blanda, ferromagn tica por debajo de 768 C, y de densidad g/cc. La austenita (Fe- ) de estructura CCC tiene una solubilidad m xima de carbono del % a 1148 C. Solubilidad aproximadamente 100 veces superior a la de la ferrita.

4 Las transformaciones de fase de la austenita son muy importante en los tratamientos t rmicos de los Aceros como se ver m s adelante. La ferrita- solo se diferencia de la en el tramo de temperatura donde existe. Al ser s lo estable a altas temperaturas no tiene inter s t cnico. La cementita desde el punto de vista mec nico es dura y fr gil, y su presencia aumenta la resistencia de muchos Aceros . Desde un punto de vista estricto, la cementita es meta estable y si se calienta entre 650 y 700 C descompone para dar Fe- y grafito en el periodo de a os, que permanece al enfriar. Por tanto, los diagramas no son realmente de equilibrio, pero al ser la velocidad de descomposici n de la cementita tan extremadamente lenta estos diagramas son los tiles.

5 Ciencia de Materiales, 4 curso, 2004/2005 2En la figura se puede observar regiones bif sicas y un eut ctico (CE = % en peso de C, y TE = 1148 C). La reacci n eut ctica es: LE ( % C) Fe- ( % C) + Fe3C ( % C) En la que un l quido de composici n eut ctica solidifica para dar dos fases s lidas de austenita y cementita. El posterior enfriamiento de estas fases produce transformaciones de fases adicionales. En el diagrama de fases se puede observar otro punto invariante a la temperatura de 727 C para una composici n del % de C. La reacci n del eutectoide se puede representar como: Fe- ( % C) Fe- ( % C) + Fe3C ( % C) Figura Diagrama de fases hierro-cementita Esta transformaci n de fase es de una importancia vital en los tratamientos t rmicos de los Aceros .

6 Como se coment en la introducci n los Aceros contienen C entre el y el % de C, y al enfriarlas desde el campo se obtiene una microestructura que est ntimamente relacionada con las propiedades mec nicas de los Aceros . Ciencia de Materiales, 4 curso, 2004/2005 3 Microestructuras en aleacions Fe-C. La microestructura que se desarrolla depende tanto del contenido en carbono como del tratamiento t rmico. Si el enfriamiento es muy lento se dan condiciones de equilibrio pero si los enfriamientos son muy r pidos se producen procesos que cambian la microestructura y por tanto las propiedades mec nicas. Se distinguen varios casos. Los Aceros eutectoides son aquellos en los que la fase austen tica s lida tiene composici n del eutectoide % (figura ).

7 Inicialmente la microestructura de la fase es muy sencilla con granos orientados al azar (punto a de la l nea xx ). Al enfriar se desarrollan las dos fases s lidas Fe- y cementita. Esta transformaci n de fases necesita la discusi n del carbono ya que las tres fases tienen composiciones diferentes. Para cada grano de austenita se forman dos fases con l minas de ferrita y otras de cementita y relaci n de fases de 9:1, respectivamente (punto b de la l nea xx ). Las orientaciones entre grano son al azar. Esta microestructura de ferrita y cementita (figura ) se conoce como perlita, y el nombre deriva de la apariencia de madreperla bajo el microscopio (figura ).

8 Mec nicamente, las perlitas tienen propiedades intermedias entre la blanda y d ctil ferrita y la dura y quebradiza cementita. Los Aceros hipoeutectoides son aquellos en los que la fase austen tica s lida tiene un contenido en carbono inferior a la del eutectoide %. Los cambios en la microestructura de un acero de esta composici n se dan en la figura Para T 875 C, la microestructura de la fase es homog nea con granos orientados al azar (punto c de la l nea yy ). Al enfriar se desarrolla la fase y nos encontramos en una regi n bif sica + (punto d de la l nea yy ). En este punto se ha segregado un poco de fase , al bajar en temperatura (punto e de la l nea yy ) aumenta el contenido en fase (aunque la proporci n depende de la composici n inicial del acero hipoeutectoide).

9 La mayor cantidad de fase se forma en los l mites de grano de la fase inicial . Al enfriar pasamos a trav s de la temperatura del eutectoide al punto f de la l nea yy . En esta transformaci n de fases, la ferrita no cambia pr cticamente y la austenita que queda se transforma en perlita dando la microestructura caracter stica de los Aceros hipoeutectoides (figura ). La ferrita de la perlita se denomina ferrita eutectoide (formada a la temperatura del eutectoide, y proveniente de los granos que restaban de la austenita), la ferrita formada antes del eutectoide (en los l mites de grano de la austenita) se denomina ferrita proeutectoide. En la perlita la relaci n de fases es 9:1, pero en los Aceros hipoeutectoides la relaci n perlita y ferrita proeutectoide depende del porcentaje inicial de carbono.

10 Esta microestructura siempre se observa en los Aceros hipoeutectoides si han sido enfriados lentamente y son los m s comunes. Los Aceros hipereutectoides son aquellos en los que la fase austen tica s lida tiene un contenido en carbono entre y %. Los cambios en la microestructura de un acero de esta composici n se dan en la figura Para T 900 C, la microestructura de la fase es homog nea con granos orientados al azar (punto g de la l nea zz ). Al enfriar se desarrolla la cementita y nos encontramos en una regi n bif sica + cementita (punto h de la l nea zz ). La cementita se comienza a formar en los l mites de grano de la austenita.