Aleaciones para Ingenieria Aleaciones para Ingenieria Diagrama Hierro Diagrama Hierro Carbono Carbono Ing. Diego Guillen. MSc
Fabricación de acero y procesamiento de formas impo im port rtan ante tes s de pro rod duc ucto tos s de ese mat ate eri rial al-- Alt ltos os Hor orno nos s
En el alto horno, el coque (carbono) actúa como agente redu re duct ctor or pa para ra re redu duci cirr óx óxid idos os de hi hier erro ro (p (pri rinc ncip ipal alme ment nte e Fe2O3) para producir arrabio en bruto, el cual contiene casi 4 por ciento de carbono además de otras impurezas, de acuerdo con la siguiente reacción típica
Fabricación de acero y procesamiento de formas impo im port rtan ante tes s de pro rod duc ucto tos s de ese mat ate eri rial al-- Alt ltos os Hor orno nos s
En el alto horno, el coque (carbono) actúa como agente redu re duct ctor or pa para ra re redu duci cirr óx óxid idos os de hi hier erro ro (p (pri rinc ncip ipal alme ment nte e Fe2O3) para producir arrabio en bruto, el cual contiene casi 4 por ciento de carbono además de otras impurezas, de acuerdo con la siguiente reacción típica
El Sistem Sistema a Hierro Hierro - Carb Carbono ono El acero se acero se define como una aleación de hierro-carbono que contiene entre 0.02y 2.11% de carbono. Las aleaciones de hierro y carbono que contienen desde una un a can anti tida dad d muy pe peq que ueñ ña de car arbo bono no (c (ca asi 0.0 .03 3 por ciento) hasta 1.2% ciento de carbono, de 0.25 a 1% de mang ma ngan anes eso o y ca cant ntid idad ades es me meno nore res s de ot otro ros s el elem emen ento tos s reciben el nombre de aceros de aceros al carbono. carbono. Por arriba de 2.1% de C y hasta 4 o 5%, la aleación se define como hierro como hierro fundido. fundido.
Diagrama de fases hierro-hierro-carburo El diagrama Fe-Fe3C contiene las siguientes fases sólidas: • ferrita α • austenita (γ) • cementita
• ferrita δ.
(Fe3C)
Diagrama de fases hierro-hierro-carburo Ferrita (α). Esta fase es una solución sólida intersticial de carbono en una estructura cristalina BCC. El carbono carbono es ligerame ligeramente nte soluble soluble en ferrita ferrita y alcanza alcanza una solubilidad de sólidos máxima de 0.02 por ciento a 723°C. La solubilidad solubilidad del carbono en ferrita disminuye a 0.005 por ciento a 0°C.
Diagrama de fases hierro-hierro-carburo Austenita (γ). La solución sólida intersticial del carbono en hierro se conoce con el nombre de austenita. La austenita tiene una estructura cristalina FCC y una solubilidad sólida mucho más alta para el carbono que la ferrita . La solubilidad sólida del carbono en la austenita alcanza un máximo de 2.08 por ciento a 1148°C y disminuye a 0.8 por ciento a 723°C
Diagrama de fases hierro-hierro-carburo Cementita (Fe3C). El compuesto intermetálico Fe3C se llama cementita. La cementita tiene límites de solubilidad insignificantes y una composición de 6.67% C y 93.3% Fe. La cementita es un compuesto duro y frágil.
Diagrama de fases hierro-hierro-carburo Ferrita δ, Tiene una estructura cristalina cúbica centrada en el cuerpo (BCC) igual que la ferrita , pero con una constante de red más alta. La solubilidad sólida máxima del carbono en la ferrita es de 0.09 por ciento a 1 465°C.
Reacciones invariantes en el diagrama de fases Fe-Fe3C Reacción peritéctica: En el punto de reacción peritéctica, el líquido con 0.53% C se combina con ferrita δ de 0.09% C para formar austenita γ de 0.17% C. Esta reacción, que ocurre a 1 495°C, puede escribirse así:
L(0.53%C) + δ (0.09%C)
1495 oC
γ (0.17% C)
La ferrita δ es una fase de alta temperatura por lo cual no se encuentra en aceros al carbono a bajas temperaturas.
Reacciones invariantes en el diagrama de fases Fe-Fe3C Reacción Eutectica: En el punto de reacción eutéctica, el líquido de 4.3%C forma austenita de 2.08% C y el compuesto intermetálico Fe3C (cementita), que contiene 6.67% C. Esta reacción, que ocurre a 1148°C, puede escribirse así:
L(4.3%C)
1148 oC
γ (2.08%C) + Fe 3C(6.67% C)
Esta reacción no se produce en aceros al carbón simples por que su contenido de C es demasiado bajo.
Reacciones invariantes en el diagrama de fases Fe-Fe3C Reacción Eutectoide: En el punto de reacción eutectoide, la austenita sólida de 0.8% C produce ferrita a con 0.02% C y Fe3C (cementita) que contiene 6.67% C. Esta reacción, que ocurre a 723°C, puede escribirse así:
γ (0.8%C)
723 oC
α(0.02% C) + Fe 3C(6.67% C)
Un acero al carbono que contiene exactamente 0.8% C se conoce como acero eutectoide. (acero hipoeutectoide, contenido de carbono < 0,8% C y al acero hipereutectoide, contenido de carbono > 0,8% C.
Enfriamiento lento de aceros al carbono simples Si una muestra de 0.8 por ciento de acero (eutectoide) al carbono simple se calienta a unos 750°C y se mantiene así el tiempo suficiente, su estructura se convertirá en austenita homogénea. Este proceso se conoce como austenitizado.
Enfriamiento lento de aceros al carbono simples
Microestructura de un acero eutectoide enfriado lentamente. La microestructura está formada por perlita eutectoide laminar. La fase que aparece oscura en el grabado es cementita y la fase blanca es ferrita. (Grabado: picral; amplificación 650×.)
Enfriamiento lento de aceros al carbono simples
Transformación de un acero al carbono simple hipoeutectoide con 0.4% C mediante enfriamiento lento.
Enfriamiento lento de aceros al carbono simples
Microestructura de acero al carbono simple hipoeutectoide con 0.35% C, enfriado lentamente a partir de la región de austenita. El componente blanco es ferrita proeutectoide; el componente oscuro es perlita. (Decapante: 2% nital; amplificación 500×.)
Enfriamiento lento de aceros al carbono simples
Transformación por enfriamiento lento de un acero al carbono simple hipereutectoide con 1.2% de C.
Enfriamiento lento de aceros al carbono simples
Microestructura de un acero hipereutectoide con 1.2% C, enfriado lentamente desde la región de austenita. En esta estructura, la cementita proeutectoide se muestra como el componente blanco que se ha formado en los límites del grano de la austenita anterior. La estructura restante está formada por perlita laminar gruesa. (amplificación 1000×.)
Ejercicio 1. Un acero al carbono simple eutectoide con 0.80% C se enfría lentamente desde 750°C hasta una temperatura apenas por abajo de 723°C . Suponiendo que la austenita se transforme totalmente en ferrita y cementita: a) Calcule el porcentaje en peso de ferrita eutectoide que se forma. b) Calcule el porcentaje en peso de cementita eutectoide que se forma.
Ejercicio 1.
La fracción en peso de ferrita se calcula a partir de la relación entre el segmento de la línea de conexión a la derecha de 0.80% C en toda la longitud de dicha línea. Al multiplicar por 100% se obtiene el porcentaje en peso de ferrita:
Ejercicio 2. Un acero al carbono simple hipoeutectoide con 0.40% C es enfriado lentamente desde 940°C hasta una temperatura apenas por arriba de 723°C. a) Calcule el porcentaje en peso de la austenita presente en el acero.
Resolver: Un acero al carbono simple hipoeutectoide con 0.40% C es enfriado lentamente desde 940°C hasta una temperatura apenas por abajo de 723°C. a) Calcule el porcentaje en peso de la ferrita proeutectoide presente en el acero.
Tratamiento térmico de aceros al carbono. En los aceros al carbono simples, la martensita es una fase metaestable constituida por una solución sólida intersticial de carbono sobresaturada en hierro BCC (<0.2% C) o BCT. La temperatura en la cual se inicia la transformación de austenita a martensita, bajo enfriamiento, se conoce como temperatura de inicio martensítico, Ms.
Tratamiento térmico de aceros al carbono. La transformación de martensita en aleaciones de Fe-C, se considera un proceso sin difusión porque la transformación se produce tan rápidamente que los atomos no tienen tiempo de mezclarse entre si. La dureza y solidez de la martensita están directamente relacionadas con el contenido de carbono y aumentan a medida que dicho contenido se incrementa, sin embargo, la ductilidad y la tenacidad también disminuyen. La martensita con bajo Contenido de carbono menor del 0.2%, se endurecen por la formación de altas concentraciones de dislocaciones (martensita de listón) y al fortalecimiento de la solución sólida intersticial por átomos de carbono.
Tratamiento térmico de aceros al carbono. Cuando el contenido de carbono aumenta de 0.2 por ciento, el endurecimiento de la solución sólida intersticial adquiere más importancia y la estructura de hierro BCC se llega a distorsionar para adquirir una forma tetragonal. En las martensitas con alto contenido de carbono, las numerosas interfases dispuestas como maclas también contribuyen al incremento de la dureza.
Tratamiento térmico de aceros al carbono. Efecto del contenido de carbono sobre la estructura de la martensita en aceros al carbono a) tipo listón. b) tipo placa.
Tratamiento térmico de aceros al carbono.
Diagrama de transformación isotérmica para un acero al carbono eutectoide. Bainita: Puede definirse como un producto de la descomposición de la austenitico que tiene una estructura eutectoide. ©2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license. ™
Tratamiento térmico de aceros al carbono. Trozos pequeños y delgados de tiras de acero 1080 de 0.25 mm de espesor laminadas en caliente y templados en agua.
a) Solamente martensita. b) Sólo perlita gruesa. c ) Sólo perlita fina. d ) Aproximadamente 50% de perlita fina y 50% de martensita. e) Sólo bainita superior. f ) Aproximadamente 50% de bainita inferior y 50% de martensita. g ) Sólo bainita inferior.
Tratamiento térmico de aceros al carbono. Distintas velocidades de enfriamiento para muestras de aceros al carbono eutectoides sometidos a enfriamiento continuo desde la región autentica.
a) Enfriamiento lento, microestructura, perlita gruesa. b) Curva de enfriamiento rápido, (en contacto con aire), microestructura, perlita fina. c ) Enfriado en aceite, (transformación dividida) microestructura, perlita fina y martensita. d ) Velocidad de enfriamiento critica, estructura martensita totalmente endurecida.
Revenido de aceros al carbono El revenido es el proceso de calentar un acero martensitico a una temperatura por debajo de la temperatura de transformación eutectoide con la finalidad de hacerlo mas blando y dúctil. 1. Se hace un austenizado y posteriormente es templado para formar martensita. 2. El acero se vuelve a calentar por debajo de la temperatura eutectoide para reblandecer la martensita al transformarla en una estructura de partículas de carburo de hierro en una matriz de ferrita.
Revenido de aceros al carbono Efecto de la temperatura de revenido propiedades mecánicas de un acero 1050.
sobre
las
Recocido y Normalizado de Aceros al carbono Los dos tipos de procesos de recocido mas comunes se aplican a los aceros al carbono de uso comercial son el recocido completo y el recocido de proceso. Recocido Completo: 1. Aceros eutectoides o hipoeutectoides, se calientan por arriba (+40ºC) de la estructura ausentita + ferrita. Se sostiene la temperatura en el tiempo y se enfría hasta alcanzar la temperatura ambiente en el horno donde fueron calentados. 2. La estructura del acero hipoeutectoide consiste en ferrita proeutectoide y perlita.
Recocido y Normalizado de Aceros al carbono El recocido de proceso, al que a menudo se hace referencia como un relevado de esfuerzos interiores, ablanda parcialmente los aceros bajos en carbono trabajados en frio. Este tratamiento, que suele aplicarse principalmente a los aceros hipoeutectoides con menos de 0.3% C, y se efectúa a una temperatura por debajo de la temperatura eutectoide, por lo general entre 550 y 650 ºC
Recocido y Normalizado de Aceros al carbono La normalización es un tratamiento térmico en el que el acero se calienta en la región austenitica y después se enfría en aire en reposo. La microestructura de las secciones delgadas de los aceros al carbono normalizados corresponde a la ferrita proeutectoide y a la perlita fina. Propósitos de la normalización: 1. Para refinar la estructura del grano 2. Para incrementar la solidez del acero (en comparación al recocido) 3. Para reducir la segregación de los componentes en operaciones de fundición o forjado, y conseguir una estructura casi uniforme
Clasificación y propiedades Mecánicas típicas de los aceros al carbono Los aceros al carbono se designan generalmente con un código de cuatro dígitos AISI-SAE. Los dos primeros dígitos (10) indican que es un acero al carbono. Los dos últimos dígitos indican el contenido de carbono nominal del acero, en centésimas de punto porcentual
Aceros al Carbono Los aceros al carbono se pueden usar cuando los requerimientos no son muy rigurosos. Estos tienen un costo relativamente bajo, pero presentan limitaciones entre ellas las siguientes: 1.
No pueden forzarse mas allá de 690 MPa, aproximadamente, sin sufrir una perdida considerable en su ductilidad y resistencia al impacto.
2.
En secciones grandes no se puede mantener de manera homogénea una estructura martensitica, es decir, sus capas profundas no pueden endurecerse.
3.
Tienen poca resistencia a la corrosión y a la oxidación.
4.
Los aceros al carbono tienen poca resistencia la impacto a bajas temperaturas.
Aceros al Carbono Los aceros con contenido medio de carbono deben templarse rápidamente, para obtener una estructura completamente martensitica. El temple rápido conduce una posible distorsión y agrietamiento de la parte sometida a tratamiento térmico.
Para superar la deficiencias de los aceros al carbono se han creado aceros de aleación que contienen elementos aleados para mejorar sus propiedades.
Acero de baja Aleación
Aceros Inoxidables. Los aceros inoxidables, se eligen como materiales de ingeniería principalmente por su excelente resistencia a la corrosión en muchos ambientes. Propiedad que se atribuye al contenido de cromo (por lo menos 12% Cr). El cromo forma un oxido superficial que protege de la corrosión a la aleación de hierro-cromo subyacente. En general existen cuatro tipos principales de aceros inoxidables, ferritico, martensitico, austenitico y endurecido por precipitación.
Aceros Inoxidables Ferriticos Son esencialmente aleaciones binarias de hierro-cromo que contienen entre 12 y 30% de Cr, se denominan ferriticos, porque su estructura se mantiene principalmente en estado BCC, tipo hierro α. Los aceros inoxidables ferriticos, por el hecho de tener mas del 12% Cr, no sufren transformación de FCC a BCC y se enfría a partir de altas temperaturas como soluciones solidas de cromo en hierro α. Tiene un costo relativamente bajo, porque no contienen niquel, se usan principalmente como materiales de construcción de tipo general, cuando se necesita especial resistencia a la corrosión y al calor.
Aceros inoxidables Martensiticos. Son esencialmente aleaciones de hierro-cromo que contienen entre 12 y 17% de Cr y tienen suficiente carbono (0.15 y 1% C) para que se pueda producir mediante templado una estructura martensitica. Debido a que la composición de los aceros inoxidables martensiticos se ajustan para optimizar su resistencia y dureza, la resistencia a la corrosión de estos aceros es relativamente baja en comparación con los ferriticos y los asteniniticos.
Aceros Inoxidables Austeniticos Son esencialmente aleaciones de hierro-cromo-niquel, contienen entre 16 y 25% de Cr y de 7 a 20% Ni. Estas aleacionen se denominan austenicios, porque su estructura se mantiene principalmente en estado FCC, tipo hierro γ. Estas tienen normalmente mayor resistencia a la corrosión que los de tipo ferrifico y martensitico porque los carburos pueden conservarse en fase solida mediante el enfriamiento rápido a partir de altas temperaturas. Sin embargo si se soldaran o enfriaran lentamente a partir de altas temperaturas (870 a 600 ºC), podrían ser susceptibles a la corrosión intergranular.
Aceros Inoxidables.
Hierros Fundidos Son una familia de las aleaciones ferrosas con amplia gama de propiedades y como su nombre lo indica. Se fabrican con la intensión de ser fundidas para darles la forma deseada. Son muy fluidos en estado líquidos y no forman películas solidas indeseadas. Los hierros fundidos normalmente contienen entre un 2 y 4% de carbono y de 1 a 3% de silicio. Estas aleaciones tiene un amplio rango de durezas y resistencias y en la mayoría de los casos son fáciles de maquinar. Pueden alearse para obtener cualidades superiores en términos de desgaste abrasión y resistencia a la corrrosion.
Hierros Fundidos Los hierros fundidos tienen valores de resistencia al impacto y ductilidad relativamente bajos y esto limita su uso para algunas aplicaciones. Se pueden distinguir cuatro tipos diferentes de hierros fundidos por la distribución del carbono en su estructura: Blanco, Gris, Maleable y ductil.
Hierro Fundido Blanco El hierro fundido blanco se forma cuando durante la solidificación gran parte del carbono de un hierro colado derretido forma cementita (carburo de hierro) en lugar de grafito. La microestructura del hierro fundido no aleado contiene grandes cantidades de cementita en una matriz de perlita y reciben este nombre porque al fracturarse producen una superficie blanca o brillante. El contenido de carbono y silicio es relativamente bajo (2.5 a 3% C y 0.5 y 1.5 Si)
Hierro Fundido Blanco Los hierros fundidos blancos se usan más a menudo por su excelente resistencia al desgaste y la abrasión. La gran cantidad de carburos de hierro que hay en su estrutura es la causa principal de su resistencia al desgaste.
El hierro fundido blanco sirve de materia prima para fabricar hierros fundidos maleables.
Hierro Fundido Gris El hierro fundido gris se forma cuando el carbono de la aleación rebasa la cantidad que puede disolverse en la ausentita y se precipita como escamas de grafito. Cuanto una fundición gris se fractura su superficie adquiere un tono gris a casa del grafito expuesto en ella. El hierro fundido gris es un material importante en la ingeniería por su costo relativamente bajo y sus propiedades de gran interés, como la facilidad de maquinado en niveles de dureza que ofrecen una buena resistencia al desgaste, al roce por frotación con lubricación restringida y excelente capacidad para amortiguar vibraciones.
Hierro Fundido Gris Los aceros grises no aleados normalmente contienen de 2.5 a 4% de C y de 1 a 3 % de Si. La velocidad de solidificación es también un factor importante que determina la cantidad en que se forma el grafito. Las velocidades moderadas de enfriamiento favorecen la formación de una matriz perlítica, en tanto que las bajas velocidades de enfriamiento promueven una matriz ferrítica.
Hierros fundidos dúctiles El hierro fundido dúctil (llamado a veces hierro colado nodular o esferulítico) combina las ventajas del procesamiento del hierro fundido gris con las ventajas de ingenieriles del acero. El hierro dúctil tiene buena fluidez y moldeabilidad, excelentes cualidades de maquinado y buena resistencia al desgaste. Además, el hierro fundido dúctil tiene varias propiedades similares a las del acero, como alta resistencia, tenacidad, ductilidad y posibilidad de ser trabajado en caliente y endurecido.
Hierros fundidos dúctiles El hierro fundido dúctil se produce tratando con magnesio el hierro bruto liquido, con relativamente alto equivalente de carbono, esto hace que durante la solidificación crezca grafito esferoidal. Para producir este metal se requiere: 1.
Desulfuracion. El azufre hace que el grafito crezca en forma de hojuelas. Se hace mediante el uso de materiales con bajo contenido de azufre o agregando agente desulfurizante como el carburo de calcio.
2.
Nodulacion, el Magnesio que se agrega durante la nodulacion elimina cualquier azufre u oxigeno que todavía quede en el metal liquido dejando un residuo de 0.03% Mg, que casusa el crecimiento del grafito esferoidal.
3.
Inoculacion: se debe agregar una aleación de FeSi, para que no se formen fundiciones blancas.
Hierros fundidos maleables. Estos funden primero como hierros fundidos blancos, para producir una estructura de hierro maleable, el hierro fundido blanco frio se calienta en un horno para disociar el carburo de hierro y convertirlo en grafito y hierro. Mediante el tratamiento térmico de maleabilización, se descompone la cementita formada durante la solidificación y se producen nódulos (carbono revenido) o agrupamientos de grafito. La forma redonda del grafito permite que se obtenga una buena combinación de resistencia y ductilidad.
