Ciencia de los materiales

Diagrama Hierro-Carbón (Fe-C)

Autores:
 *Eduardo Rincón

C.I.:25190776
*Guelvys Rodriguez
C.I.: 25817941
*Carlos Hurtado

El Hierro (Fe)

Es un elemento químico de número atómico 26 situado en el grupo 8, periodo 4 de la tabla periódica de los elementos. Su símbolo es Fe y tiene una masa atómica de 55,6

Este metal de transición es el cuarto elemento más abundante en la corteza terrestre, representando un 5 % y, entre los metales, solo el aluminio es más abundante; y es el primero más abundante en masa planetaria, debido a que el planeta en su núcleo, se concentra la mayor masa de hierro nativo equivalente a un 70 %. El núcleo de la Tierra está formado principalmente por hierro y níquel en forma metálica, generando al moverse un campo magnético. Ha sido históricamente muy importante, y un período de la historia recibe el nombre de Edad de Hierro.

*Características principales.

Es un metal maleable, de color gris plateado y presenta propiedades magnéticas; es ferromagnético a temperatura ambiente y presión atmosférica. Es extremadamente duro y denso.

Se encuentra en la naturaleza formando parte de numerosos minerales, entre ellos muchos óxidos, y raramente se encuentra libre. Para obtener hierro en estado elemental, los óxidos se reducen con carbono y luego es sometido a un proceso de refinado para eliminar las impurezas presentes.

Es el elemento más pesado que se produce exotérmicamente por fusión, y el más ligero que se produce a través de una fisión, debido a que su núcleo tiene la más alta energía de enlace por nucleón (energía necesaria para separar del núcleo un neutrón o un protón); por lo tanto, el núcleo más estable es el del hierro-56 (con 30 neutrones).

Presenta diferentes formas estructurales dependiendo de la temperatura y presión. A presión atmosférica:

• Hierro-α: estable hasta los 911 °C. El sistema cristalino es una red cúbica centrada en el cuerpo (bcc).
• Hierro-γ: 911 °C - 1392 °C; presenta una red cúbica centrada en las caras (fcc).
• Hierro-δ: 1392 °C - 1539 °C; vuelve a presentar una red cúbica centrada en el cuerpo.
• Hierro-ε: Puede estabilizarse a altas presiones, presenta estructura hexagonal compacta (hcp).
• Hierro-ç: se estabiliza a muy bajas presiones, presenta una estructura octagonal muy compacta.

  El carbón (C)

  

Es una roca sedimentaria de color negro, muy rica en carbono y con cantidades variables de otros elementos, principalmente hidrógeno, azufre, oxígeno y nitrógeno, utilizada como combustible fósil. La mayor parte del carbón se formó durante el período Carbonífero, El carbón se origina por la descomposición de vegetales terrestres que se acumulan en zonas pantanosas, lagunares o marinas, de poca profundidad. Los restos vegetales se van acumulando en el fondo de una cuenca. Quedan cubiertos de agua y, por lo tanto, protegidos del aire, que los degradaría. Comienza una lenta transformación por la acción de bacterias anaerobias, un tipo de microorganismos que no necesitan oxígeno para vivir. Con el tiempo se produce un progresivo enriquecimiento en carbono. Posteriormente pueden cubrirse con depósitos arcillosos, lo que contribuirá al mantenimiento del ambiente anaerobio, adecuado para que continúe el proceso de carbonización. Se estima que una capa de carbón de un metro de espesor proviene de la transformación por diferentes procesos durante la diagénesis de más de diez metros de limos carbonosos.

Diagrama Hierro-Carbón (Fe-C)

Diagrama de equilibrio o diagrama de fases hierro-carbono (Fe-C) (también diagrama hierro-carbón), se representan 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 tal que los procesos de difusión (homogeneización) tendrán tiempo para completarse. Dicho diagrama se obtiene experimentalmente identificando los puntos críticos.

El acero es una aleación de hierro con una pequeña proporción de carbono, que comunica a aquel propiedades especiales tales como dureza y elasticidad. En general, también se pueden fabricar aceros con otros componentes como manganeso, niquel o cromo. El hierro es un constituyente fundamental de algunas de las más importantes aleaciones de la ingeniería. El hierro es un metal alotrópico, por lo que puede existir en más de una estructura reticular dependiendo fundamentalmente de la temperatura. Es uno de los metales más útiles debido a su gran abundancia en la corteza terrestre (constituyendo más del 5% de esta, aunque rara vez se encuentra en estado puro, lo más normal es hallarlo combinado con otros elementos en forma de óxidos, carbonatos o sulfuros) y a que se obtiene con gran facilidad y con una gran pureza comercial. Posee propiedades físicas y mecánicas muy apreciadas y de la más amplia variedad. El hierro técnicamente puro, es decir, con menos de 0.008% de carbono, es un metal blanco azulado, dúctil y maleable, cuyo peso específico es 7.87. Funde de 1536.5ºC a 1539ºC reblandeciéndose antes de llegar a esta temperatura, lo que permite forjarlo y moldearlo con facilidad. El hierro es un buen conductor de la electricidad y se imanta fácilmente.

  El hierro puro apenas tiene aplicaciones industriales, pero formando aleaciones con el carbono (además de otros elementos), es el metal más utilizado en la industria moderna. A la temperatura ambiente, salvo una pequeña parte disuelta en la ferrita, todo el carbono que contienen las aleaciones Fe-C está en forma de carburo de hierro( CFe₃ ). Por eso, las aleaciones Fe-C se denominan también aleaciones hierro-carburo de hierro.

            Las aleaciones con contenido de C comprendido entre 0.03% y 1.76% tienen características muy bien definidas y se denominan aceros. Los aceros de cualquier proporción de carbono dentro de los límites citados pueden alearse con otros elementos, formando los denominados aceros aleados o aceros especiales. Algunos aceros aleados pueden contener excepcional mente hasta el 2.5% de C. Los aceros generalmente son forjables, y es ésta una cualidad muy importante que los distingue. Si la proporción de C es superior a 1.76% las aleaciones de Fe-C se denominan fundiciones, siendo la máxima proporción de C aleado del 6.67%, que corresponde a la cementita pura. Las fundiciones, en general, no son forjables.

Estas son las aleaciones del proceso del hierro y el carbón:

            FERRITA

            Aunque la ferrita es en realidad una solución sólida de carbono en hierro alfa, su solubilidad a la temperatura ambiente es tan pequeña que no llega a disolver ni un 0.008% de C. Es por esto que prácticamente se considera la ferrita como hierro alfa puro. La ferrita es el más blando y dúctil constituyente de los aceros. Cristaliza en una estructura BCC. Tiene una dureza de 95 Vickers, y una resistencia a la rotura de 28 Kg/mm², llegando a un alargamiento del 35 al 40%. Además de todas estas características, presenta propiedades magnéticas. En los aceros aleados, la ferrita suele contener Ni, Mn, Cu, Si, Al en disolución sólida sustitucional. Al microscopio aparece como granos monofásicos, con límites de grano más irregulares que la austenita. El motivo de esto es que la ferrita se ha formado en una transformación en estado sólido, mientras que la austenita, procede de la solidificación.

   

            La ferrita en la naturaleza aparece como elemento proeutectoide que acompaña a la perlita en:

-         Cristales mezclados con los de perlita (0.55% C)

-         Formando una red o malla que limita los granos de perlita (0.55% a 0.85% de C)

-         Formando agujas en dirección de los planos cristalográficos de la austenita.

CEMENTITA

            Es carburo de hierro y por tanto su composición es de 6.67% de C y 93.33% de Fe en peso. Es el constituyente más duro y frágil de los aceros, alcanzando una dureza de 960 Vickers. Cristaliza formando un paralelepípedo ortorrómbico de gran tamaño. Es magnética hasta los 210ºC, temperatura a partir de la cual pierde sus propiedades magnéticas. Aparece como:

-         Cementita proeutectoide, en aceros hipereutectoides, formando un red que envuelve a los granos perlíticos.

-         Componente de la perlita laminar.

-         Componente de los glóbulos en perlita laminar.  

-         Cementita alargada (terciaria) en las uniones de los granos (0.25% de C)

   PERLITA

Es un constituyente compuesto por el 86.5% de ferrita y el 13.5% de cementita, es decir, hay 6.4 partes de ferrita y 1 de cementita. La perlita tiene una dureza de aproximadamente 200 Vickers, con una resistencia a la rotura de 80 Kg/mm² y un alargamiento del 15%. Cada grano de perlita está formado por láminas o placas alternadas de cementita y ferrita. Esta estructura laminar se observa en la perlita formada por enfriamiento muy lento. Si el enfriamiento es muy brusco, la estructura es más borrosa y se denomina perlita sorbítica. Si la perlita laminar se calienta durante algún tiempo a una temperatura inferior a la crítica (723 ºC), la cementita adopta la forma de glóbulos incrustados en la masa de ferrita, recibiendo entonces la denominación de perlita globular.   

               AUSTENITA

            Este es el constituyente más denso de los aceros, y está formado por la solución sólida, por inserción, de carbono en hierro gamma. La proporción de C disuelto varía desde el 0 al 1.76%, correspondiendo este último porcentaje de máxima solubilidad a la temperatura de 1130 ºC.La austenita en los aceros al carbono, es decir, si ningún otro elemento aleado, empieza a formarse a la temperatura de 723ºC. También puede obtenerse una estructura austenítica en los aceros a temperatura ambiente, enfriando muy rápidamente una probeta de acero de alto contenido de C a partir de una temperatura por encima de la crítica, pero este tipo de austenita no es estable, y con el tiempo se transforma en ferrita y perlita o bien cementita y perlita.

            Excepcionalmente, hay algunos aceros al cromo-niquel denominados austeníticos, cuya estructura es austenítica a la temperatura ambiente. La austenita está formada por cristales cúbicos de hierro gamma con los átomos de carbono intercalados en las aristas y en el centro. La austenita tiene una dureza de 305 Vickers, una resistencia de 100 Kg/mm² y un alargamiento de un 30 %. No presenta propiedades magnéticas.

               MARTENSITA  

            Bajo velocidades de enfriamiento bajas o moderadas, los átomos de C pueden difundirse hacía afuera de la estructura austenítica. De este modo, los átomos de Fe se mueven ligeramente para convertir su estructura en una tipo BCC. Esta transformación gamma-alfa tiene lugar mediante un proceso de nucleación y crecimiento dependiente del tiempo (si aumentamos la velocidad de enfriamiento no habrá tiempo suficiente para que el carbono se difunda en la solución y, aunque tiene lugar algún movimiento local de los átomos de Fe, la estructura resultante no podrá llagar a ser BCC, ya que el carbono está “atrapado” en la solución). La estructura resultante denominada martensita, es una solución sólida sobresaturada de carbono atrapado en una estructura tetragonal centrada en el cuerpo. Esta estructura reticular altamente distorsionada es la principal razón para la alta dureza de la martensita, ya que como los átomos en la martensita están empaquetados con una densidad menor que en la austenita, entonces durante la transformación (que nos lleva a la martensita) ocurre una expansión que produce altos esfuerzos localizados que dan como resultado la deformación plástica de la matriz.

            Después de la cementita es el constituyente más duro de los aceros. La martensita se presenta en forma de agujas y cristaliza en la red tetragonal. La proporción de carbono en la martensita no es constante, sino que varía hasta un máximo de 0.89% aumentando su dureza, resistencia mecánica y fragilidad con el contenido de carbono. Su dureza está en torno a 540 Vickers, y su resistencia mecánica varía de 175 a 250 Kg/mm² y  su alargamiento es del orden del 2.5 al 0.5%. Además es magnética.

                BAINITA          

            Se forma la bainita en la transformación isoterma de la austenita, en un rango de temperaturas de 250 a 550ºC. El proceso consiste en enfriar rápidamente la austenita hasta una temperatura constante, manteniéndose dicha temperatura hasta la transformación total de la austenita en bainita.

            LEDEBURITA

            La ledeburita no es un constituyente de los aceros, sino de las fundiciones. Se encuentra en las aleaciones Fe-C cuando el porcentaje de carbono en hierro aleado es superior al 25%, es decir, un contenido total de 1.76% de carbono.

            La ledeburita se forma al enfriar una fundición líquida de carbono (de composición alrededor del 4.3% de C) desde 1130ºC, siendo estable hasta 723ºC, decomponiéndose a partir de esta temperatura en ferrita y cementita

 La temperatura a que tienen lugar los cambios alotrópicos en el hierro estará influida por los elementos que forman parte de la aleación, de los cuales el más importante es el carbono. La figura que mostramos a continuación muestra la porción de interés del sistema de aleación Fe-C. Contiene la parte entre Fe puro y un compuesto intersticial, llamado carburo de hierro, que contiene un 6.67% de C en peso. Esta porción se llamará diagrama de equilibrio hierro-carburo de hierro.

            Antes de estudiar este diagrama es importante notar que no se trata de un verdadero diagrama de equilibrio, pues un verdadero equilibrio implicaría que no hubiera cambio de fase con el tiempo. Sin embargo, es un hecho que el compuesto carburo de hierro se descompondrá de una manera muy lenta en hierro y carbono (grafito), lo cual requerirá un período de tiempo muy largo a temperatura ambiente. El carburo de hierro se dice entonces metaestable; por tanto, el diagrama hierro-carburo de hierro, aunque técnicamente representa condiciones metaestables , puede considerarse como representante de cambios en equilibrio, bajo condiciones de calentamiento y enfriamiento relativamente lentas.

            El diagrama muestra tres líneas horizontales que indican reacciones isotérmicas. La solución sólida a se llama austenita. La segunda figura muestra ampliada la porción del diagrama de la esquina superior izquierda. Esta se conoce como región delta, debido a la solución sólida d. A 2720ºF se encuentra una línea horizontal que nos marca la reacción peritéctica. Dicha reacción responde a la ecuación:

 Líquido + d      Þ      Austenita (enfriamiento)Ü   (calentamiento)

La solubilidad máxima del carbono en Fe d (BCC) es de 0.10% (punto M), mientras que en Fe g (FCC) es mucho mayor. La presencia de carbono influye en el cambio alotrópico d Û g. Conforme crece la proporción de C, la temperatura del cambio alotrópico aumenta de 2554 a 2720ºF al 0.10% de C. Considérese el significado de la línea NMPB. Al enfriar, la línea NM, representa la frontera del cambio de estructura cristalina de Fe d (BCC) a Fe g (FCC) para aleaciones que contienen menos del 0.10% de C. La línea MP representa la frontera del cambio de estructura cristalina por medio de la reacción peritéctica para aleaciones entre 0.10 y 0.18% de C. Para aleaciones que contienen menos del 0.18% de C, al enfriar, el final del cambio de estructura está dado por la línea NP. La línea PB representa el inicio y el fin de la reacción peritéctica para composiciones entre 0.18 y 0.5% de C. En otras palabras, para aleaciones entre 0.18 y 0.50% de C, el cambio alotrópico empieza y termina a temperatura constante. Nótese que cualquier aleación que contenga más de 0.5% de C solidificará en austenita directamente (a la derecha del punto B).

            En el diagrama de más abajo se muestra la reacción eutéctica. El punto E del diagrama, es el punto eutéctico, de composición 4.3% de C y que ocurre a 2065ºF. La línea horizontal CED representa la reacción eutéctica. Cuando una determinada aleación cruce esta línea, la parte líquida que la compone debe solidificar en la mezcla de las dos fases que estén en ambos extremos de la línea horizontal: austenita y carburo de hierro (llamada cementita) en este caso. Esta mezcla eutéctica, como ya explicamos, se llama ledeburita, y la ecuación puede escribirse como: 

Líquido Þ      Austenita +Cementita (enfriamiento) Ü (calentamiento)                                                     

            La microestructura de esta mezcla eutéctica generalmente no resulta visible debido a que la austenita no es estable a temperatura ambiente y sufre varias reacciones durante el enfriamiento.

            Se puede observar que a 1666ºF ocurre un cambio de estructura cristalina de Fe puro g (FCC) a a (BCC). El pequeño área a la izquierda de la línea GH, es una solución sólida de una pequeña cantidad de carbono disuelto en Fe a (BCC), y se llama ferrita. El diagrama muestra una tercera línea horizontal HJK, que representa la reacción eutectoide. El punto eutectoide, J, está situado a 0.80% de C y a 1333ºF. Cualquier porción de austenita presente se transformará en una fina mezcla eutectoide de ferrita y cementita, llamada perlita. La ecuación que describe la reacción eutectoide es:

 Líquido  Þ      Ferrita+Cementita (enfriamiento) Ü (calentamiento)                                  

Por debajo de la línea eutectoide, la aleación consistirá en una mezcla de ferrita y cementita conforme indica el diagrama. Si se toma como base el contenido de carbono, es práctica común dividir el diagrama hierro-carburo en dos partes: aquellas aleaciones que contienen menos del 2% de carbono se conocen como aceros, y aquellas que contienen más del 2% se conocen como hierros fundidos. El intervalo de aceros se subdivide aún más en base al contenido de carbono eutectoide (0.8% de C). Así, los aceros que contienen menos del 0.8% de C se llaman aceros hipoeutectoides, en tanto que los que tienen entre 0.8 y 2% de C se llaman hipereutectoides. El intervalo de hierros fundidos también puede subdividirse por el contenido de carbono eutéctico (4.3% de C). De esta forma tenemos que los hierros fundidos con composición de C <  4.3%, se conocen como hierros fundidos hipoeutécticos, y de la misma manera por oposición, existen los hipereutécticos.}

Propiedades generales de aceros y fundiciones: 

Los constituyentes que forman parte de la estructura de los aceros determinan las características de los mismos.

• Los aceros hipoeutectoides: formados por perlita y ferrita, son dúctiles y tenaces. La ferrita es el constituyente matriz y comunica sus propiedades al acero. La perlita aumenta la resistencia.
• Los aceros eutectoides: formados únicamente por perlita, poseen las mismas propiedades que ésta.
• Los aceros hipereutectoides: son duros y frágiles, propiedades características de la cementita, que es el constituyente matriz.
• Las fundiciones están constituidas por perlita y cementita, pero a diferencia de los aceros, no podemos disolver la cementita, por lo que en general, son duras y frágiles y no aptas para la forja. Éstas son las fundiciones blancas. Pero en realidad sí es posible transformar la cementita en grafito consiguiendo las denominadas fundicines grises, maleables y nodulares, con propiedades distintas a las blancas, que se asemejan más a los aceros.

Las fases y microconstituyentes más importantes que aparecen en el diagrama Fe-C son: 

• Ferrita: solución sólida intersticial de hierro alfa con C (es hierro alfa casi puro). Es el más blando y dúctil de los constituyentes de los aceros. 
• Cementita: es un compuesto intermetálico de fórmula Fe3C (equivalente a 6,67%C). Es el constituyente más duro y frágil. 
• Perlita: solución eutectoide formada por cristales de ferrita y cementita. La estructura laminar confiere elevada dureza y resistencia mecánica. 
• Austenita: solución sólida de hierro gamma con C. Sólo es estable a temperturas superiores a 723ºC, y en su enfriamiento se descompone en ferrita y cementita. Se trata de un constituyente blando, no magnético, dúctil, tenaz y de elevada resistencia al desgaste. 
• Ledeburita: es el constituyente eutéctico que se forma en el enfriamiento de las fundiciones a 1130ºC. No existe a temperatura ambiente, y en el enfriamiento se transforma en cementita y perlita.