3. Actividades Diagrama de fases hierro-carbono Actividad 3.1 La figura 3.1 muestra el diagrama de fases hierro-carburo de hierro. Realizar un estudio de dicho diagrama en el que se incluya las siguientes cuestiones: a) Importancia tecnológica. Utilidad. b) ¿Porqué no se trata de un verdadero diagrama de equilibrio? c) Propiedades y características de las fases sólidas presentes en el diagrama. d) Reacciones invariantes que tienen lugar en el diagrama. Actividad 3.2 Qué fases están presentes en una aleación Fe - 1%C i) a 1500oC? ii) a 750oC? iii) a 700oC? Actividad 3.3 La verdadera utilidad del hierro empieza cuando es aliado con el carbono y origina los aceros y las fundiciones. a) ¿A qué aleaciones se les denomina aceros y a cuales fundiciones? b) Propiedades generales de los aceros y fundiciones. Actividad 3.4 a) Describir los cambios estructurales que tienen lugar cuando un acero eutectoide se enfría lentamente desde la región austenítica justo por encima de la temperatura eutectoide. b) Un acero eutectoide del 0,8% C se enfría lentamente desde 750 oC hasta una temperatura ligeramente inferior a 723 oC. Calcular el porcentaje en peso de ferrita eutectoide y de cementita que se forma. Actividad 3.5 a) Describir los cambios estructurales que tienen lugar cuando un acero al carbono de 0,4%C (hipoeutectoide) se enfría lentamente desde la región austenítica justo por encima de la temperatura de transformación superior. b) Un acero al carbono hipoeutectoide del 0,4%C se enfría lentamente desde aproximadamente 900oC. Realizar un análisis de fases a partir del diagrama de fases de la figura 3.4 en los siguientes puntos: i) 900oC ii) 723oC+∆T iii) 723oC-∆T c) Repetir el apartado b para un acero hipoeutectoide del 0,7%C Actividad 3.6
a) Describir los cambios estructurales que tienen lugar cuando un acero al carbono de 1,2%C (hipereutectoide) se enfría lentamente desde la región austenítica justo por encima de la temperatura de transformación superior. b) Un acero al carbono hipereutectoide del 1,2% C se enfría lentamente desde aproximadamente 950oC. Realizar un análisis de fases a partir del diagrama de fases de la figura 3.6 en los siguientes puntos: i) 950oC ii) 723oC+∆T iii) 723oC-∆T c) Repetir el apartado b para un acero hipereutectoide con 1,05% de C Actividad 3.7 Perlita eutectoide: definición y propiedades. Actividad 3.8 Para explicar el diagrama de fases Fe-Fe3C de la figura 3.1 se ha considerado en todo momento que la velocidad de enfriamiento era muy lenta, pero ¿qué pasa cuando se realiza un enfriamiento rápido?
Resolución de las actividades Actividad 3.1 La figura 3.1 muestra el diagrama de fases hierro-carburo de hierro. Realizar un estudio de dicho diagrama en el que se incluya las siguientes cuestiones: a) Importancia tecnológica. Utilidad. b) ¿Porqué no se trata de un verdadero diagrama de equilibrio? c) Propiedades y características de las fases sólidas presentes en el diagrama. d) Reacciones invariantes que tienen lugar en el diagrama.
Figura 3.1 Diagrama de fases carburo de hierro-hierro
a) El carbono es el elemento de aleación capaz de hacer variar más profundamente las propiedades del hierro, aún encontrándose en la aleación en una proporción muy pequeña. Resulta así que, convertido el carbono en el elemento de aleación más importante, el diagrama de equilibrio hierrocarbono adquiere una extraordinaria importancia en el estudio y utilización de las distintas aleaciones tecnológicas del hierro. El diagrama de fases hierrocarbono es el“mapa” que indica cómo, cuándo y en qué condiciones debe realizarse un tratamiento térmico y los resultados que deben esperarse del mismo. A partir del diagrama puede predecirse por ejemplo el tipo de constituyente mayoritario que tendrá la aleación en función de la temperatura y del contenido (%) de carbono; conocidos los constituyentes pueden predecirse entonces las propiedades que tendrá dicha aleación. b) El diagrama de fases Fe-Fe3C de la figura 3.1 muestra las fases presentes en las aleaciones de hierro-carbono enfriadas muy lentamente, a varias temperaturas y composiciones de hierro con porcentajes de carbono de hasta el 6,67%. Este diagrama de fases no es un diagrama de equilibrio verdadero
ya que el compuesto carburo de hierro (Fe3C) no es una verdadera fase de equilibrio. En ciertas condiciones, el Fe3C - llamado cementita– puede descomponerse en las fases estables de hierro α y carbono (grafito). Sin embargo, en la mayor parte de las condiciones, el Fe3C es muy estable y, por tanto, puede considerarse en la práctica como una fase de equilibrio. c) El diagrama de fases Fe-Fe3C contienen las siguientes fases sólidas: •
Ferrita-α: es una solución sólida intersticial de carbono en la red cristalina del hierro BCC (cúbica centrada en el cuerpo). Puede disolver en forma de solución sólida un máximo de 0,02% en peso de carbono a 723oC. A medida que la temperatura disminuye, la solubilidad del carbono también disminuye, siendo de 0,005% a 0oC. Tiene aproximadamente una resistencia máxima a la rotura de 280 MPa, un alargamiento del 35% y una dureza de 90 unidades Brinell. Es la forma más blanda de todos los constituyentes del acero, muy dúctil y maleable, además de magnética.
•
Austenita (γ): es una solución sólida intersticial de carbono en hierro γ. El hierro γ tiene una estructura cristalina FCC (cúbica centrada en las caras) y mayor solubilidad en estado sólido para el carbono que la ferrita α. La máxima solubilidad en estado sólido del carbono en la austenita es del 2,08% a 1.148oC y disminuye a un 0,8% a 723oC. La austenita posee una resistencia que oscila entre 850 y 1000 MPa, un alargamiento de 30-60% y una dureza de 300 unidades Brinell. Es blanda, muy dúctil y tenaz. Es amagnética. Tiene gran resistencia al desgaste, siendo el constituyente más denso de los aceros.
•
Cementita (Fe3C): es un compuesto intersticial duro y quebradizo. Tienen límites despreciables de solubilidad y una composición del 6,67% en carbono y 93,3% en hierro. Es débilmente ferromagnética a baja temperatura, perdiendo sus propiedades magnéticas a 217oC.
•
Ferrita-δ: es una solución sólida intersticial de carbono en hierro δ. Tiene estructura cristalina BCC como la ferritaα pero con una constante de red mayor. La máxima solubilidad en estado sólido del carbono en ferrita δ es del 0.09% a 1.465 oC.
d) El diagrama de fases Fe-Fe3C presenta tres reacciones invariantes cuyas ecuaciones se pueden escribir como sigue:
a 1.495 oC tiene lugar una reacción peritéctica
Líquido (0,53% C) + Ferrita-δ (0,09% C) » Austenita (γ) (0,17% C)
a 1.148 oC tiene lugar una reacción eutéctica
Líquido (4,3% C) » Austenita (γ) (2,08% C) + Cementita (Fe3C) (6,67%C) >br>
a 723 oC tiene lugar una reacción eutectoide
Austenita (γ) (0,8% C) » Ferrita-α (0,02% C) + Cementita (Fe3C) (6,67%C)
Actividad 3.2 Qué fases están presentes en una aleación Fe - 1%C i) a 1500oC? ii) a 750oC? iii) a 700oC? A partir del diagrama de fases Fe-Fe3C de la figura 3.1 se deduce que la austenita (γ) es la única fase presente a 1.500 oC; la austenita(γ) + la cementita (Fe3C ) son las fases presentes a 750 oC, siendo la ferrita-α + la cementita (Fe3C ) las fases presentes a 700oC.
Actividad 3.3
La verdadera utilidad del hierro empieza cuando es aliado con el carbono y origina los aceros y las fundiciones. a) ¿A qué aleaciones se les denomina aceros y a cuales fundiciones? b) Propiedades generales de los aceros y fundiciones. a) Las aleaciones de hierro y carbono que tienen, generalmente, desde una pequeña cantidad (aproximadamente un 0,003%) a un 1,2% de carbono y de un 0,25 a un 1% de manganeso, así como menores cantidades de otros elementos (impurezas) reciben la denominación de aceros ordinarios. Las fundiciones contienen normalmente del 2 al 4% de carbono y del 1 al 3% de silicio. Es común dividir el diagrama Fe-Fe3C (figura 3.1) en dos partes. Aquellas aleaciones que contienen hasta un 2% de C se conocen como aceros, y las de más del 2% de C como fundiciones. (En la práctica, el contenido en carbono de los aceros y fundiciones es el expresado en el párrafo anterior.) A su vez y también tomando como base el diagrama antes mencionado, el intervalo del acero se subdivide en aquellos que contienen menos del 0,8% de C (aceros hipoeutectoides), los que contienen un 0,8% de C (aceros eutectoides) y los que contienen más del 0,8% de C (aceros hipereutectoides)
b) Los aceros son, sin duda, los productos metálicos más utilizados por la industria, a causa de su bajo coste y a que presentan una amplia gama de propiedades mecánicas, buena resistencia, tenacidad y ductilidad, aunque tienen una gran tendencia a la corrosión (no es el caso de los aceros inoxidables, considerados como las aleaciones ferrosas más importantes a causa de su alta resistencia a la corrosión en medios oxidantes). Variando la forma de calentamiento y enfriamiento de los aceros se pueden obtener diferentes combinaciones de propiedades mecánicas. Así por ejemplo, determinados aceros pueden ser tratados térmicamente por temple y revenido para conseguir aceros de gran resistencia con una razonable ductilidad; los elementos de aleación como níquel, cromo y molibdeno se añaden a los aceros para producir aceros de baja aleación, los cuales presentan una buena combinación de alta resistencia y tenacidad, siendo de aplicación común en la industria de automoción para usos como engranajes y ejes.
Las fundiciones son también una familia de aleaciones ferrosas con una amplia variedad de propiedades. Producen excelentes aleaciones moldeadas puesto que se funden fácilmente, son muy fluidos en estado líquido y no forman películas superficiales indeseables cuando se vierten. Estas aleaciones tienen un amplio rango de resistencia y dureza, sin embargo tienen, relativamente, baja resistencia al impacto y ductilidad; esto limita su utilización para algunas aplicaciones.
Actividad 3.4 a) Describir los cambios estructurales que tienen lugar cuando un acero eutectoide se enfría lentamente desde la región austenítica justo por encima de la temperatura eutectoide. b) Un acero eutectoide del 0,8% C se enfría lentamente desde 750 oC hasta una temperatura ligeramente inferior a 723 oC. Calcular el porcentaje en peso de ferrita eutectoide y de cementita que se forma. a) Un acero de un 0,8% C (eutectoide) justo por encima de la temperatura eutectoide (723oC) se encuentra 100 % en fase de austenita. Si se enfría muy lentamente hasta temperatura eutectoide -o justo por debajo de ésta-, se provocará la transformación de la estructura total de la austenita en una estructura laminar de placas alternadas de ferrita-α y cementita (Fe3C). Esta estructura eutectoide recibe el nombre de perlita. La estructura perlítica se mantendrá prácticamente invariable si continua el enfriamiento hasta la temperatura ambiente.
Figura 3.2 Transformación de un acero eutectoide en condiciones de enfriamiento lento.
Figura 3.3 Microestructura de un acero eutectoide enfriado lentamente: perlita eutectoide. La fase oscura es cementita y la fase blanca ferrita.
b) El punto "a" del diagrama de fases de la figura 3.2 representa una aleación
Fe-0,8% en peso de C a 750oC, A 750oC, el 100% en peso de la aleación está en fase de austenita (γ) (0,8% de C) Si la muestra es enfriada hasta justo por debajo de la la temperatura eutectoide (723oC), punto "b" del diagrama, se producirá la siguiente reacción: Austenita (γ) (0,8% C) » Ferrita-α + Cementita (Fe3C)
A 723oC-∆T un 88,3% de la aleación está en forma de ferrita- α (0,02% de C) y un 11,7% en forma de cementita ( 6,67% de C), formando la perlita.
Actividad 3.5 a) Describir los cambios estructurales que tienen lugar cuando un acero al carbono de 0,4%C (hipoeutectoide) se enfría lentamente desde la región austenítica justo por encima de la temperatura de transformación superior. b) Un acero al carbono hipoeutectoide del 0,4%C se enfría lentamente desde aproximadamente 900oC. Realizar un análisis de fases a partir del diagrama de fases de la figura 3.4 en los siguientes puntos: i) 900oC ii) 723oC+∆T iii) 723oC-∆T c) Repetir el apartado b para un acero hipoeutectoide del 0,7%C a) Un acero de un 0,4%C justo por encima de la temperatura de transformación se encuentra 100 % en fase de austenita. Si se enfría muy lentamente hasta la temperatura b de la figura 3.4, se producirá la
transformación de parte de la estructura de la austenita en ferrita-α (ferrita proeutectoide), que crecerá mayoritariamente en los bordes de grano austeníticos. Conforme se va enfriando, acercándose a la temperatura eutectoide (723oC+∆T), punto c de la figura, la cantidad de ferrita proeutectoide formada irá aumentando hasta que transforme aproximadamente el 50% de la austenita. A 723 oC, si prevalecen las condiciones de enfriamiento muy lento, la austenita remanente se transformará en perlita (ferrita-α + cementita). La ferrita-α de la perlita se llama ferrita eutectoide, para distinguirla de la ferrita proeutectoide formada anteriormente por encima de 723 C. o
Figura 3.4 Transformación de un acero hipoeutectoide de 0,4%C en condiciones de enfriamiento lento.
Figura 3.5 Microestructura de un acero hipoeutectoide de 0,35%C enfriado lentamente a partir de la región austenítica. El componente oscuro es perlita y el blanco ferrita proeutectoide.
b) El punto "a" del diagrama de fases de la figura 3.4 representa un acero hipoeutectoide 0,4% en peso de C aproximadamente a 900oC, A 900 oC, el 100% en peso de la aleación está en fase de austenita (γ) (0,4% de C) Si la muestra se somete a enfriamiento lento desde 900oC a una temperatura ligeramente superior a 723oC, punto c del diagrama, una parte de la Austenita (γ) se transformará en Ferrita-α; se trata ahora de conocer que % de austenita se transforma en ferrita-α.
A 723oC+∆T un 51,3% del acero está en forma de ferrita- α proeutectoide (0,02% de C) y un 48,7% continua en forma de austenita ( 0,8% de C). Si la muestra es ahora enfriada lentamente hasta justo por debajo de la la temperatura eutectoide (723oC), punto d del diagrama, se provocará la transformación de la austenita remanente (un 48,7%) en ferrita-α y cementita según la reacción que sigue: Austenita (γ) (0,8% C) » Ferrita-α + Cementita (Fe3C)
A 723oC-∆T un 94,3% de la aleación está en forma de ferrita-α (0,02% de C) y un 5,7% en forma de cementita (6,67% de C). Del 94,3% de ferritaαpresente en el acero, el 51,3% es ferrita-α proeutectoide y el 43% es ferritaα eutectoide. El acero hipoeutectoide con 0,4%C presenta a una temperatura ligeramente inferior a 723oC un 51,3% de ferrita-α proeutectoide y un 48,7% de perlita (43% ferrita-α eutectoide + 5,7 cementita eutectoide).
c) A 900 oC, el 100% en peso de la aleación está en fase de austenita (γ) (0,7% de C)
A 723oC+∆T un 12,8% del acero está en forma de ferrita- α proeutectoide (0,02% de C) y un 87,2% continua en forma de austenita ( 0,8% de C).
A 723oC-∆T un 89,8% de la aleación está en forma de ferrita-α (0,02% de C) y un 10,2% en forma de cementita (6,67% de C). Del 89,8% de ferritaαpresente en el acero, el 12,8% es ferrita-α proeutectoide y el 77% es ferritaα eutectoide. El acero hipoeutectoide 0,7%C presenta a una temperatura ligeramente inferior a 723oC un 12,8% de ferrita-α proeutectoide y un 87,2% de perlita (77% ferrita-α eutectoide + 10,2% cementita eutectoide).
A continuación se recogen en forma de tabla los resultados obtenidos, a 723oC-∆T, en los apartados b y c más los obtenidos en la actividad 3.4 referentes a un acero eutectoide: Acero hipoeutectoide 0,4 %C Acero hipoeutectoide 0,7 %C Acero eutectoide 0,8 % C
% de ferrita-α proeutectoide 51,3
% de perlita 48,7
12,8
87,2
-
100
Conclusión: Cuanto mayor sea la proximidad del contenido de carbono del acero hipoeutectoide a la composición eutectoide (0,8%C) más cantidad de perlita estará presente en la microestructura del acero.
Actividad 3.6 a) Describir los cambios estructurales que tienen lugar cuando un acero al carbono de 1,2%C (hipereutectoide) se enfría lentamente desde la región austenítica justo por encima de la temperatura de transformación superior. b) Un acero al carbono hipereutectoide del 1,2% C se enfría lentamente desde aproximadamente 950oC. Realizar un análisis de fases a partir del diagrama de fases de la figura 3.6 en los siguientes puntos: i) 950oC ii) 723oC+∆T iii) 723oC-∆T c) Repetir el apartado b para un acero hipereutectoide con 1,05% de C a) Un acero de un 1,2%C justo por encima de la temperatura de transformación se encuentra 100 % en fase de austenita. Si se enfría muy lentamente hasta la temperatura b de la figura 3.6, se producirá la transformación de parte de la estructura de la austenita en cementita (Fe3C) (cementita proeutectoide), que crecerá principalmente en los bordes de grano de la austenita. Con otro enfriamiento también lento hasta el punto c, acercándose a la temperatura eutectoide (723oC+∆T), se formará más cementita proeutectoide en los citados bordes. A 723 oC, o justo por debajo, si
prevalecen las condiciones de enfriamiento muy lento, la austenita remanente se transformará en perlita según la reacción eutectoide. La cementita formada según la reacción eutectoide se denomina cementita eutectoide, para distinguirla de la cementita proeutectoide formada a temperaturas por encima de 723oC. La ferrita-α de la perlita es ferrita eutectoide, formada también mediante la reacción eutectoide.
Figura 3.6 Transformación de un acero hipereutectoide de 1,2%C en condiciones de enfriamiento lento.
Figura 3.7 Microestructura de un acero hipereutectoide de 1,2%C enfriado lentamente a partir de la región austenítica. La cementita proeutectoide aparece como el constituyente blanco, alrededor de la perlita. La cementita perlítica toma la forma de láminas oscuras paralelas separadas por otras blancas de ferrita.
b) El punto "a" del diagrama de fases de la figura 3.6 representa un acero hipereutectoide 1,2% en peso de C aproximadamente a 950oC, A 950 oC, el 100% en peso de la aleación está en fase de austenita (γ) (1,2% de C) Si la muestra se somete a enfriamiento lento desde 950oC a una temperatura ligeramente superior a 723oC, punto "c" del diagrama, una parte de la Austenita (γ) se transformará en cementita; se trata ahora de conocer que % de austenita se transforma en cementita.
A 723oC+∆T un 6,8% del acero está en forma de cementita proeutectoide (6,67% de C) y un 93,2% continua en forma de austenita ( 0,8% de C).
Si la muestra es ahora enfriada lentamente hasta justo por debajo de la la temperatura eutectoide (723oC), punto d del diagrama, se provocará la transformación de la austenita remanente (un 93,2%) en ferrita-α y cementita según la reacción que sigue: Austenita (γ) (0,8% C) » Ferrita-α + Cementita (Fe3C)
A 723oC-∆T un 17,7% de la aleación está en forma de Cementita (Fe 3C) (6,67% de C) y un 82,3% en forma de ferrita-α eutectoide (0,02% de C). Del 17,7% de cementita presente en el acero, el 6,8% es cementita proeutectoide y el 10,9% es cementita eutectoide.
El acero hipereutectoide 1,2%C presenta a una temperatura ligeramente inferior a 723oC un 6,8% de cementita proeutectoide y un 93,2% de perlita (10,9% cementita eutectoide + 82,3 ferrita-α eutectoide).
c) A 950 oC, el 100% en peso de la aleación está en fase de austenita (γ) (1,05% de C)
A 723oC+∆T un 4,3% del acero está en forma de cementita proeutectoide (6,67% de C) y un 95,7% continua en forma de austenita ( 0,8% de C).
A 723oC-∆T un 15,5% de la aleación está en forma de Cementita (Fe 3C) (6,67% de C) y un 84,5% en forma de ferrita-α eutectoide (0,02% de C). Del 15,5% de cementita presente en el acero, el 4,3% es cementita proeutectoide y el 11,2% es cementita eutectoide. El acero hipereutectoide 1,05%C presenta a una temperatura ligeramente inferior a 723oC un 4,3% de cementita proeutectoide y un 95,7% de perlita (11,2% cementita eutectoide + 84,5% ferrita-α eutectoide).
A continuación se recogen en forma de tabla los resultados obtenidos, a 723oC-∆T, en los apartados b y c más los obtenidos en la actividad 3.4 referentes a un acero eutectoide: % de cementita proeutectoide Acero eutectoide 0,8 % C Acero hipereutectoide 1,05%C 4,3 Acero hipereutectoide 1,2 %C 6,8
Conclusión:
% de perlita 100 95,7 93,2
A medida que el contenido de carbono de cualquier acero hipereutectoide aumenta, el espesor de la red de cementita proeutectoide se incrementa.
Actividad 3.7 Perlita eutectoide: definición y propiedades. La perlita es un constituyente eutectoide formado por láminas paralelas y alternadas de ferrita-α y cementita (Fe3C) producida por la descomposición eutectoide de la austenita. Tiene una resistencia máxima a la rotura de casi 800 MPa, un alargamiento de aproximadamente un 15% y una dureza de 200 unidades Brinell.
Actividad
3.8
Para explicar el diagrama de fases Fe-Fe3C de la figura 3.1 se ha considerado en todo momento que la velocidad de enfriamiento era muy lenta, pero ¿qué pasa cuando se realiza un enfriamiento rápido? Ante un enfriamiento a velocidad elevada el material obtenido mantiene el tipo de constituyente de partida ya que no se le ha dado el tiempo suficiente para que se produzcan los cambios de estructura. Por ejemplo: una aleación hierro-0,5% de C a la temperatura de 1200 oC se encuentra 100% en forma de austenita; si enfriamos la muestra rápidamente desde 1200oC a temperatura ambiente, obtendremos un acero totalmente austenítico.
