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Diagrama Hierro – Carbono Carbono y Tratamientos Térmicos Rivera W.*
*Escuela Politécnica Nacional, Facultad de Ingeniería Mecánica, Quito, Ecuador e-mail:
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Resumen: En el contenido de este trabajo tratamos el tema diagrama diagrama hierro carbono, especificando que es es uno de los temas más importantes para un ingeniero mecánico le es dispensable dispensable conocer las propiedades mecánicas mecánicas de los materiales siendo así el acero una aleación de hierro carbono que sin duda alguna será el material más trabajado por el ingeniero. El acero acero se encuentra formado por hierro y carbono y también existen varias varias clases de acero dependiendo sus contenidos en carbono y hierro. hierro. En el diagrama hierro carbono se deduce que en condiciones condiciones de calentamiento y enfriamiento relativamente lentas representa cambios de equilibrio. El tratamiento térmico implica un ciclo controlado de calentamiento, mantenimiento y enfriamiento, a fin de conseguir los resultados deseados como el endurecimiento o el ablandamiento de un material. Se presentara la clasificación de los tratamientos: recocido normalizado, por temple y recocido, que a su vez también se clasifican. Un factor muy importante es la curvas de la “S” (Transformación - Temperatura - Tiempo), que nos indica cómo la velocidad de enfriamiento afecta la transformación de Austenita en varias fases posibles. Palabras clave: Hierro,
Carbono, recocido, tratamiento, tratamiento, acero, fases, fases, diagrama, ablandamiento. ablandamiento.
The content of this paper topic treat iron carbon diagram, specifying which is one of the most important issues for a mechanical engineer he is indispensable to know the mechanical properties of the materials being steel and iron alloy carbon undoubtedly be the material most worked by the engineer. The steel is composed of iron and carbon and there are various kinds of steel depending on its carbon content and iron. In the iron carbon diagram it shows that in heating conditions and relatively slow cooling represents balance changes. The heat treatment involves controlled heating, holding and cooling cycle to achieve the desired as hardening or softening of material results. The classification of present treatments: annealing standardized by quenching and annealing, which in turn are also classified. A very important factor is the curves of the "S" (Transformation - Temperature - Time), which tells us how the cooling rate affects the transformation of austenite into various possible phases.
Abstract:
Keywords:
Iron, carbon, annealing treatment , steel, phase diagram softening. 1
1. INTRODUCCIÓN
acero combina la resistencia y la posibilidad de ser trabajado, lo que se presta para fabricaciones mediante muchos métodos. Además, sus propiedades pueden ser manejadas de acuerdo a las necesidades específicas mediante tratamientos con calor, trabajo mecánico, o mediante aleaciones. Los materiales No Ferrosos no contienen hierro. Estos incluyen el aluminio, magnesio, zinc, cobre, plomo y otros elementos metálicos. Las aleaciones el latón y el bronce, son una combinación de algunos de estos metales No Ferrosos y se les denomina Aleaciones No Ferrosas.
En el diagrama de equilibrio o de fases, Fe-C se representa las transformaciones que sufren los aceros al carbono con la temperatura, admitiendo que el calentamiento (o enfriamiento) de la mezcla se realiza muy lentamente de modo que los procesos de difusión (homogeneización) tienen tiempo para completarse. Uno de los materiales de fabricación y construcción más versátil, más adaptable y más ampliamente usado es el ACERO. A un precio relativamente bajo, el acero combina la resistencia y la posibilidad de ser trabajado, lo que se presta para fabricaciones mediante muchos métodos. Además, sus propiedades pueden ser manejadas de acuerdo a las necesidades específicas mediante tratamientos con calor, trabajo mecánico, o mediante aleaciones. Los materiales No Ferrosos no contienen hierro. Estos incluyen el aluminio, magnesio, zinc, cobre, plomo y otros elementos metálicos. Las aleaciones el latón y el bronce, son una combinación de algunos de estos metales No Ferrosos y se les denomina Aleaciones No Ferrosas. A un precio relativamente bajo, el
2. DIAGRAMA HIERRO – CARBONO CARBONO Las aleaciones de hierro y carbono son las aleaciones metálicas más importantes en la actualidad por todas sus propiedades. 2.1 Descripción del Hierro Tiene una temperatura temperatura de fusión 1539 °C., dureza 80 HB Presenta dos formas formas alotrópicas Feα y Feγ. Feγ. , es de color gris.
Artículo recibido el 21 de Mayo, 2015;
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En este punto J se forma la austenita. En la Fig. 2 con una ubicación de 0,5 %C – 1499 °C. 2.5 Punto Eutectoide (S) Ubicado en la Fig. 2 en 0,8 %C – 727 °C. Se puede definir como el punto en el que se pasa de un constituyente a otro, es decir pasa de austenita a perlita + ferrita. 2.6 Punto (E) Marca la máxima solubilidad del carbono en hierro gamma, es decir es el punto de máximo contenido de carbono de la austenita. Figura 1. Curva
3. CONSTITUYENTES MONOFÁSICOS DEL DIAGRAMA Fe-C
de enfriamiento del hierro puro
Primero se debe conocer el concepto solución sólida, es una solución en estado sólido de uno o más solutos en un disolvente. El soluto puede incorporarse dentro de la estructura cristalina del disolvente bien mediante sustitución, reemplazando cada átomo del disolvente por un átomo del soluto.
2.2 Descripción del Carbono Presenta distintas formas alotrópicas, carbono amorfo y cristalino en forma de grafito o diamante. Tiene una dureza 3 HRC.
3.1 La Ferrita Su red cristalina es cúbica de cuerpo centrada. Es una solución sólida d e carbono en el hierro alfa Feα (C). La solubilidad máxima de carbono en la ferrita es aproximadamente de 0,008% de C a 20 °C y 0,03% de C a 723 °C, es magnética y muy plástica. La dureza es HB 80 – 100. Rt = 32Kgf/mm2. 3.2 La Austenita Consiste en átomos de hierro con estructura FCC y átomos e carbono en los sitios intersticiales. Presenta menor suavidad y ductilidad que la ferrita es una fase no magnética. Esta fase se encuentra sólo a altas temperaturas y la temperatura 723 °C es el límite inferior de la existencia estable de la austenita en las aleaciones hierro – carbono. La dureza es HB 180-200 . La solubilidad máxima de carbono en la austenita es 2,14% a 1147 °C y 0,8 de C a 723 °C. 3.3 La Cementita ( )
Figura 2. Diagrama
Hierro – Carbono http://educativa.catedu.es/44700165/aula/archivos/re F uente: positorio/4750/4910/html/FeC.gif
También se llama Carburo de Hierro. Es un compuesto inter metálico. La cementita tiene una red cristalina compleja (rómbica). Una dureza muy alta, HB 650 – 800, es bastante frágil. Su temperatura de fusión es 1600 °C. La cementita no es estable y en condiciones determinadas se desintegra desprendiendo carbono libre en forma de grafito.
2.3 Punto Eutéctico En la Fig. 2 se puede observar el punto C con coordenadas 4,3% C – 1100 °C llamado Punto Eutéctico es donde cambia de fase de líquido a sólido. Fase: Cada una de las partes macroscópicas de composición química y propiedades físicas homogéneas que forman un sistema.
3.4 Grafito Es el carbono libre, blando (HB 3) y posee una baja resistencia. Es bastante duro, por lo que una cantidad elevada de grafito hace que la aleación sea muy dura pero a la vez, muy frágil, además los copos de grafito imparten una buena
2.4 Punto Peritéctico
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maquinabilidad actuando como rompe virutas, y también presentan una buena capacidad de amortiguación. El grafito se puede clasificar en varios tipos: El grafito tipo A: Es obtenido cuando son utilizadas bajas velocidades de solidificación. Una fundición que presente este tipo de grafito adquiere propiedades como superficie mejor acabadas, respuesta rápida a algunos tratamientos térmicos, baja dureza, alta tenacidad y alta ductilidad. El grafito tipo B: Se presenta en una fundición que presenta una composición casi eutéctica. El grafito tipo C: Aparece en hierros hipereutécticos, preferiblemente con altos contenidos de carbono. Los grafitos tipo D y E: S forman cuando las velocidades de enfriamiento son altas pero no tan altas como para formar carburos. Sus propiedades son alta dureza y resistencia a la tracción, baja ductilidad y baja tenacidad.
5. DIVISIÓN DEL DIAGRAMA HIERRO CARBONO SEGÚN EL CONTENIDO DE CARBONO Según el contenido de carbono el diagrama hierro-carbono se divide en dos partes: aleaciones con menos del 2,14 % de carbono que corresponde a los aceros, y con más de un 2,14 % de carbono, de las fundiciones. 5.1 Aceros Hipoeutectoides Son los aceros con un contenido en carbono inferior al 0,8% y mayor al 0,008 %. 5.2 Aceros Hipereutectoides Son aquellos que poseen más del 0,8 % y menos del 2 % de contenido de Carbono. 5.3 Fundiciones de Hierro De igual forma las fundiciones hipoeutécticas son las que tiene un contenido de carbono entre 2 y 4,3%, mientras que se llaman hipereutécticas a las fundiciones que tienen entre un 4,3 y un 6,67% de carbono.
4. ESTRUCTURAS BIFÁSICAS DEL DIAGRAMA Fe-C 4.1 Perlita Es un constituyente compuesto aproximadamente por el 86,5 % de ferrita y el 13,5 % de cementita. Su microestructura está formada por capas alternas de las dos fases (ferrita y cementita) durante el enfriamiento lento de un acero a temperatura eutocteoide. La perlita puede ser laminar HB 300, Rt=10 , o también globular HB 140, Rt=114 Kgf/mm2, lo que depende de la forma de la cementita (laminar o globular).
6. TRATAMIENTOS TÉRMICOS EN ACEROS El tratamiento térmico es la operación de calentamiento y enfriamiento de un metal en su estado sólido a temperaturas y condiciones determinadas para cambiar sus propiedades mecánicas. Nunca alteran las propiedades químicas. Con el tratamiento térmico adecuado se pueden reducir los esfuerzos internos, el tamaño del grano, incrementar la tenacidad o producir una superficie dura con un interior dúctil. Para conocer a que temperatura debe elevarse el metal para que se reciba un tratamiento térmico es recomendable contar con los diagramas de cambio de fases como el de hierro - carbono.
4.2 Ledeburita Es una mezcla eutéctica de austenita y cementita. La reaccion eutectica se presenta a temperatura constante al enfriar muy lentamente un liquido, obteniendose entonces dos solidos puros distintos, estos solidos solidifican alternativamente, resultando una mezcla muy fina. Es decir la ledeburita se forma al enfriar la fundicion liquida de 4,3 % de C, y se lleva a Cabo a 1130 °C, bajo los 723 °C la austenita se transforma en perlita y entonces la estructura de la ledeburita será perlita.
6.1 CLASIFICACIÓN DE LOS TRATAMIENTOS TÉRMICOS. 6.1.1 RECOCIDO 6.1.1.1 Difusivo o de Homogenización En el recocido de homogeneización, propio de los aceros hipoeutectoides, la temperatura de calentamiento es la correspondiente a A3+200 °C sin llegar en ningún caso a la curva de sólidos, realizándose en el propio horno el posterior enfriamiento lento, siendo su objetivo principal eliminar las heterogeneidades producidas durante la solidificación. 6.1.1.2 Completo Aceros hipoeutectoides. Para la mayoría d recocidos la temperatura es de 30 a 50 °C. Debe estar sobre la línea de TA3. La velocidad de enfriamiento es de 100 a 200 °C. 6.1.1.3
Figura 3. División
Incompleto Aceros hipereutectoides.
del diagrama Fe-C según el contenido de C Propia F uente:
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6.1.1.4 Isotérmico
Templabilidad (capacidad a la penetración del temple), que a su vez depende, fundamentalmente, del diámetro o espesor de la pieza y de la calidad del acero.
Se trasforma la austenita en perlita a una temperatura constante.
6.1.4 REVENIDO 6.1.2 NORMALIZADO El Revenido es un tratamiento complementario del Temple, que generalmente prosigue a éste. Después del Temple, los aceros suelen quedar demasiados duros y frágiles para los usos a los cuales están destinados. Lo anterior se puede corregir con el proceso de Revenido, que disminuye la dureza y la fragilidad excesiva, sin perder demasiada tenacidad. Por ejemplo, se han utilizado estos tratamientos térmicos para la fabricación del acero de Damasco (Siglo X a.C.) y de las espadas de los samurais japoneses (Siglo XII d.C.). Es posible obtener una dispersión excepcionalmente fina de Fe3C (conocida como martensita revenida) si primero se templa la austerita para producir martensita, y después se realiza el revenido. Durante el revenido, se forma una mezcla íntima de ferrita y cementita a partir de la martensita. El tratamiento de revenido controla las propiedades físicas del acero.
Este tratamiento se emplea para eliminar tensiones internas sufridas por el material tras una conformación mecánica, tales como una forja o laminación para conferir al acero unas propiedades que se consideran normales de su composición. El normalizado se practica calentando rápidamente el material hasta una temperatura crítica y se mantiene en ella durante un tiempo. A partir de ese momento, su estructura interna se vuelve más uniforme y aumenta la tenacidad del acero. Tiempo de calentamiento de 30 a 50 °C sobre TA3 TAM. Las ventajas que se obtienen después del normalizado están la eliminación de esfuerzos residuales, se mejora la maquinabilidad, en especial en los materiales muy duros, así como la reducción y regulación en el tamaño de grano. El normalizado comúnmente es usado en piezas forjadas, piezas fundidas y laminadas como método de acondicionamiento antes de darles un tratamiento final. Los aceros aleados hipereutectoides (alto carbono) se normalizan para eliminar parcial o completamente las redes de carburo, esto hace más fácil la realización del recocido esferoidizante La velocidad de calentamiento hasta la temperatura de normalización no es importante a menos que pieza pueda sufrir deformaciones, así también el tiempo en que el material se mantendrá a la temperatura para que este alcance su fase austenitica en su totalidad. (Mangonon, 2001) La velocidad de enfriamiento del material luego de ser sacado del horno es importante ya que de aquí se determina básicamente la cantidad de perlita, el tamaño de estas y el espaciado que habrá entre sus láminas, y entre más rápido se enfrié más perlita habrá, menos espacios quedaran y el tamaño de la perlita será más fino, en estos casos el material será más duro y resistente, e inversamente a mayor tiempo de enfriamiento el material será más débil y blando. En este contexto el enfriamiento que se requiere es hasta el punto en que la austenita se transforma en perlita, esto normalmente es entre los 500 y 700°C, luego de haber llegado al punto de cambio se templa el metal con agua o aceite.
6.1.4.1 Revenido a baja temperatura Nos sirve para disminuir las tensiones sin variar la dureza del material. Se utiliza para herramientas cortantes y de medida. La temperatura de calentamiento puede ser de 80 a 200 °C, el tiempo de calentamiento es de 1 a 5 horas. 6.1.4.2 Revenido a media Temperatura Se realiza a los resortes este debe ser cubierto en sales fundidas y en hornos eléctricos de aire caliente la temperatura de calor debe ser entre 300 y 500 °C. 6.1.4.2 Revenido a alta Temperatura Elimina totalmente las tensiones internas del material, disminuye la dureza y aumenta la plasticidad. La temperatura debe estar entre 350 y 500 °C. 6.1.2 DIAGRAMA TTT TRANSFORMACIÓN)
(TIEMPO-TEMPERATURA-
6.1.3 TEMPLADO Este tipo de diagrama muestra cómo la velocidad de enfriamiento afecta la transformación de Austenita en varias fases posibles, las cuales pueden ser: Formas alternativas de Ferrita y Cementita,,Martensita. El tiempo se presenta logarítmicamente a lo largo del eje horizontal y la temperatura en el eje vertical. Esta curva se interpreta partiendo del tiempo t0 (pocos segundos transcurridos) en la región Austenita y continúa hacia abajo y a la derecha a lo largo de la trayectoria que muestra cómo se enfría el metal en función del tiempo (Ver Figura No. 2). Los tiempos de transformación dependen de la aleación del material. La Fig4. presenta un ejemplo del diagrama TTT para un acero:
El Temple es un tratamiento térmico que tiene por objetivo aumentar la dureza y resistencia mecánica del material, transformando toda la masa en Austenita con el calentamiento y después, por medio de un enfriamiento brusco (con aceites, agua o salmuera), se convierte en Martensita, que es el constituyente duro típico de los aceros templados. En el temple, es muy importante la fase de enfriamiento y la velocidad alta del mismo, además, la temperatura para el calentamiento óptimo debe ser siempre superior a la crítica para poder obtener de esta forma la Martensita. Existen varios tipos de Temple, clasificados en función del resultado que se quiera obtener y en función de la propiedad que presentan casi todos los aceros, llamada 4
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La temperatura de calentamiento y el tiempo que permanecerá la pieza en esa temperatura, luego se procede a enfriar la pieza dependiendo del tipo de tratamiento efectuado.
Figura 4. Diagramas TTT http://tecnoindustrial2.wikispaces.com/file/view/graf _prob3_1.jpg/276865128/graf_prob3_1.jpg
El carbono es el elemento de aleación capaz de hacer variar más profundamente las propiedades del hierro, aun encontrándose en la aleación en una proporción muy pequeña. Resulta así que, convertido el carbono en el elemento de aleación más importante, el diagrama hierro carbono logra una asombrosa importancia en el estudio y utilización de las distintas aleaciones del hierro. Existen unos pocos tratamientos térmicos que ablandan los metales, esto para eliminar los esfuerzos residuales generados por los diversos procesos de manufactura. Los tratamientos térmicos son un instrumento útil en especial para los ingenieros.
F uente:
7. BIBLIOGRAFÍA [1] Smith, William F. Fundamentos de la Ciencia e Ingeniería de los Materiales. Madrid: Mc Graw-Hill Interamericana de España S. A. U., 1998.
6. CONCLUSIONES
El diagrama de hierro carbono es una gráfica que indica cómo, cuándo y en qué condiciones debe realizarse un tratamiento térmico y los resultados que deben esperarse del mismo.
[2]
Askeland, Donald R. Ciencia e Ingeniería de los Materiales. Thomson Editorial, 2004
[3] Morales, Ana Gabriela Tapia. «Tratamientos Termicos en Acero.» 2015: 11
A partir del diagrama se podrá distinguir el tipo de componente mayoritario que tendrá la aleación en A cada tipo de tratamiento se le estipula de antemano su La
[4] Morales, Ana Gabriela Tapia. « Diagrame Fe-C .» 2015: 15
función de la temperatura y del contenido de carbono; conocidos los componentes pueden predecirse entonces las propiedades que tendrá la aleación
[5] Galo, Verdezoto Guillermo / Guevara. «Diagrama Hierro Carbono.» 2013: 40. .[Online]. http://es.slideshare.net/GuillermoDavid27/tp3-26826348 [6] http://es.wikipedia.org/wiki/Tratamiento_t%C3%A9rmico.
Los tratamientos térmicos son una herramienta muy aplicada en la industria, debido a que los procesos modernos exigen que los materiales tengan ciertas cualidades mecánicas, en especial de dureza y tenacidad.
[7] http://educativa.catedu.es/44700165/aula/archivos/repositorio/1000/109 2/html/2_diagrama_de_aleacin_hierrocarbono.html. [8] http://www.monografias.com/trabajos82/tratamientostermicos/tratamientos-termicos.shtml
El uso de enfriamiento con gas en hornos de vacío tiene ciertas ventajas con respecto al procesamiento convencional y al enfriamiento con agua y alcoholes Los tratamientos térmicos son indispensables para el mejoramiento de la calidad del material a utilizar. A mayor temperatura el hierro se encuentra en estado líquido.
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