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La importancia del diagrama de equilibrio hierro-carbono

Un estudio de la constitución y estructura de todos los aceros y hierros debe comenzar primero con el diagrama de equilibrio hierro-carbono. Muchas de las características básicas de este sistema influyen en el comportamiento incluso de los aceros aleados más complejos.

Por ejemplo, las fases que se encuentran en el sistema binario simple Fe-C persisten en aceros complejos, pero es necesario examinar los efectos que tienen los elementos de aleación sobre la formación y propiedades de estas fases. El diagrama de hierro-carbono proporciona una base valiosa sobre la cual construir el conocimiento de los aceros al carbono y aleados en su inmensa variedad.


En primer lugar, conviene señalar que el diagrama de equilibrio normal representa realmente el equilibrio metaestable entre el hierro y el carburo de hierro (cementita). La cementita es metaestable y el verdadero equilibrio debe ser entre hierro y grafito. Aunque el grafito se encuentra ampliamente en hierros fundidos (2-4% en peso de C), generalmente es difícil obtener esta fase de equilibrio en aceros (0.03-1.5% en peso de C). Por lo tanto, debe considerarse el equilibrio metaestable entre el hierro y el carburo de hierro, porque es relevante para el comportamiento de la mayoría de los aceros en la práctica.

El campo de fase mucho más grande de γ-hierro (austenita) en comparación con el de α-hierro (ferrita) refleja la solubilidad mucho mayor del carbono en γ-hierro, con un valor máximo de poco más del 2% en peso a 1147 ° C (E , Figura 1). Esta alta solubilidad del carbono en γ-hierro es de extrema importancia en el tratamiento térmico, cuando el tratamiento de la solución en la región γ seguido de un rápido enfriamiento a temperatura ambiente permite que se forme una solución sólida sobresaturada de carbono en hierro.

El campo de la fase de α-hierro está severamente restringido, con una solubilidad máxima de carbono de 0.02% en peso a 723 ° C (P), por lo que en el rango de carbono encontrado en aceros de 0.05 a 1.5% en peso, el α-hierro normalmente se asocia con hierro carburo de una forma u otra. De manera similar, el campo de la fase δ está muy restringido entre 1390 y 1534 ° C y desaparece por completo cuando el contenido de carbono alcanza el 0,5% en peso (B).


Hay varias temperaturas o puntos críticos en el diagrama, que son importantes, tanto desde el punto de vista básico como práctico.


  • En primer lugar, está la temperatura A 1 , a la que se produce la reacción eutectoide (PSK), que es 723 ° C en el diagrama binario.

  • En segundo lugar, está la temperatura A 3 , cuando el hierro α se transforma en hierro γ. En el caso del hierro puro, esto ocurre a 910 ° C, pero la temperatura de transformación se reduce progresivamente a lo largo de la línea GS mediante la adición de carbono.

  • El tercer punto es A 4 en el que el γ-hierro se transforma en δ-hierro, 1390 ° C en hierro puro, pero esto aumenta a medida que se agrega carbono. El punto A 2 es el punto de Curie cuando el hierro cambia de la condición ferro- a la paramagnética. Esta temperatura es de 769 ° C para el hierro puro, pero no implica ningún cambio en la estructura cristalina. El A 1 , A 3 y A 4los puntos se detectan fácilmente mediante análisis térmico o dilatometría durante los ciclos de enfriamiento o calentamiento, y se observa cierta histéresis. En consecuencia, se pueden obtener tres valores para cada punto. Ac para calentar, Ar para enfriar y Ae (equilibrio), pero se debe enfatizar que los valores de Ac y Ar serán sensibles a las velocidades de calentamiento y enfriamiento, así como a la presencia de elementos de aleación.

La gran diferencia en la solubilidad del carbono entre el hierro γ y el α-hierro conduce normalmente al rechazo del carbono como carburo de hierro en los límites del campo de la fase γ. La transformación de γ en α-hierro se produce mediante una reacción eutectoide, que desempeña un papel dominante en el tratamiento térmico.


La temperatura del eutectoide es de 723 ° C, mientras que la composición del eutectoide es de 0,80% C (s). Al enfriar aleaciones que contienen menos de 0,80% C lentamente, se forma ferrita hipoeutectoide a partir de austenita en el rango de 910-723 ° C con enriquecimiento de la austenita residual en carbono, hasta que a 723 ° C la austenita restante, ahora contiene 0,8 El% de carbono se transforma en perlita, una mezcla laminar de ferrita y carburo de hierro (cementita). En austenita con 0,80 a 2,06% de carbono, al enfriarse lentamente en el intervalo de temperatura de 1147 ° C a 723 ° C, se forma primero cementita agotando progresivamente la austenita en carbono, hasta que a 723 ° C, la austenita contiene 0,8% de carbono y se transforma en perlita.


Los aceros con menos de aproximadamente 0,8% de carbono son, por lo tanto, aleaciones hipoeutectoides con ferrita y perlita como componentes principales, las fracciones de volumen relativas se determinan mediante la regla de palanca que establece que a medida que aumenta el contenido de carbono, aumenta el porcentaje de volumen de perlita. hasta que esté al 100% en la composición eutectoide. Por encima del 0,8% C , la cementita se convierte en la fase hipereutectoide y se produce una variación similar en la fracción de volumen de la cementita y la perlita en este lado de la composición eutectoide.

Las tres fases, ferrita, cementita y perlita son, por tanto, los constituyentes principales de la infraestructura de los aceros al carbono simples, siempre que hayan sido sometidos a velocidades de enfriamiento relativamente lentas para evitar la formación de fases metaestables.


La transformación austenita-ferrita

En condiciones de equilibrio, la ferrita pro-eutectoide se formará en aleaciones de hierro y carbono que contengan hasta un 0,8% de carbono. La reacción ocurre a 910 ° C en hierro puro, pero tiene lugar entre 910 ° C y 723 ° C en aleaciones de hierro-carbono.

Sin embargo, apagando desde el estado austenítico a temperaturas por debajo de la temperatura eutectoide Ae 1 , se puede formar ferrita hasta temperaturas tan bajas como 600 ° C. Se producen cambios morfológicos pronunciados a medida que se baja la temperatura de transformación, lo que conviene destacar se aplica en general a las fases hipo e hipereutectoide, aunque en cada caso habrá variaciones debido a la cristalografía precisa de las fases implicadas. Por ejemplo, los mismos principios se aplican a la formación de cementita a partir de austenita, pero no es difícil distinguir morfológicamente la ferrita de la cementita.


La transformación austenita-cementita

La clasificación de Dube se aplica igualmente bien a las diversas morfologías de la cementita formada a temperaturas de transformación progresivamente más bajas. El desarrollo inicial de los alotriomorfos del límite de grano es muy similar al de la ferrita, y el crecimiento de las placas laterales o la cementita de Widmanstaten sigue el mismo patrón. Las placas de cementita tienen una forma más rigurosamente cristalográfica, a pesar de que la relación de orientación con la austenita es más compleja.

Como en el caso de la ferrita, la mayoría de las placas laterales se originan a partir de alotriomorfos del límite de grano, pero en la reacción de la cementita más placas laterales se nuclean en los límites gemelos en austenita.


La reacción austenita-perlita

La perlita es probablemente la característica microestructural más familiar en toda la ciencia de la metalografía. Fue descubierto por Sorby hace más de 100 años, quien correctamente asumió que era una mezcla laminar de hierro y carburo de hierro.

La perlita es un componente muy común de una amplia variedad de aceros, donde proporciona una contribución sustancial a la resistencia. Las estructuras eutectoides lamelares de este tipo están muy extendidas en la metalurgia y, con frecuencia, se utiliza perlita como término genérico para describirlas.


Estas estructuras tienen mucho en común con las reacciones de precipitación celular. Ambos tipos de reacción ocurren por nucleación y crecimiento y, por lo tanto, están controlados por difusión. Los núcleos de perlita se encuentran en los límites de los granos de austenita, pero está claro que también pueden estar asociados tanto con ferrita proeutectoide como con cementita. En aceros comerciales, los nódulos de perlita pueden nuclearse sobre inclusiones.


Fuente: totalmateria