Ing. Norberto D. ique G.

Diagramas de Fe3C y

transformaciones de fases

Diagrama Fe-Fe3C

El Fe es el segundo metal ms abundante en la corteza terrestre y el cuarto

elemento ms abundante. Su uso como metal de alta pureza se restringe slo a

la investigacin, sin embargo el Fe da origen a tres grandes grupos de

aleaciones metlicas:

Aceros (steels):

Aleaciones Fe-C con menos del 2 %C.

Fundiciones de hierro (cast irons):

Aleaciones Fe-C con ms del 2 %C y con el agregado de Si.

Superaleaciones base Fe (iron base superalloys):

Aleaciones Fe-Cr-Ni con preponderancia de Fe.

Los aceros y las fundiciones son ampliamente usados en todas las ramas

de la industria. De hecho los aceros son las aleaciones metlicas ms

utilizadas y estudiadas.

Formas alotrpicas cristalinas del Fe en distintos

rangos de temperatura a presin atmosfrica

Densidad: 7,87 Mg/m3 (Fe a a 20

C) (intermedia

entre los metales)

Punto de fusin: 1538

C (relativamente alto

debido a la componente covalente del enlace)

Mdulo elstico longitudinal (E): 208,2 GPa

(est entre los ms altos de los metales)

Tensin de fluencia (Rp0,2): 55 MPa (aunque

depende fuertemente de la T y de la d/dt)

Dureza: HV 66

Temperatura de transicin: -34

C (Fe , Charpy V reducido, tamao de grano ASTM 4-5)

Es uno de los 3 metales ferromagnticos.

Las aplicaciones de los aceros son muy diversas y varan desde objetos

cotidianos de unos pocos gramos y costo nfimo (un clip para agrupar hojas),

hasta estructuras muy sofisticadas de varios cientos de miles de toneladas y

costos muy altos, pasando por una enorme variedad de aplicaciones

intermedias.

Los aceros se usan en gran parte del rango de temperaturas utilizado en las

diferentes industrias, desde temperaturas criognicas (por ejemplo 4 K),

hasta temperaturas de ms de 1000 C.

Razones de su gran aplicacin:

Bajo costo (abundancia del mineral, facilidad de reduccin, alta

capacidad de reciclado).

Razones de su gran aplicacin:

Alta rigidez

Eacero 3EAl; 1,7ETi; 1,7ECu; 4,6EMg; 1,3 a 3EFundicin; 0,9ENi; 0,5EW; 0,24EDiamante.

Junto con la resistencia mecnica, esta propiedad ayuda a minimizar el

peso de muchas estructuras sometidas a altas tensiones.

Versatilidad: gran variedad de propiedades obtenible por aleacin y/o

tratamiento trmico.

Rango de Rp0,2: desde 150 hasta 2700MPa (hay algunos productos de acero

especiales donde se alcanzan los 5 GPa).

Aceros magnticamente blandos, magnticamente duros, aceros

amagnticos.

Aceros altamente resistentes a la corrosin.

Aceros de uso a alta T, aceros de uso criognico.

Razones de su gran aplicacin:

Respaldo de la experiencia en servicio:

La amplia aplicacin de los aceros debido a las razones anteriores, ha permitido

acumular durante muchos aos una gran cantidad de experiencia y

conocimiento sobre el comportamiento de estas aleaciones tanto durante su

fabricacin como durante el servicio en mltiples situaciones. Esto es un aval

muy grande a la hora de decidir por un material para una determinada

aplicacin.

Si bien un material nuevo puede tener mejores propiedades que un acero en la

etapa de sus ensayos y para una dada aplicacin, hasta tanto no se haya

usado extensamente, no se sabr exactamente como se comporta a largo plazo

en ese tipo de servicio.

En general se necesita bastante tiempo y dinero para que el material nuevo sea

aceptado tanto por los ingenieros que disean como por los usuarios.

En el diagrama de equilibrio Fe-C

aparece la fase grafito. Esta fase es de

C puro y posee una estructura

hexagonal.

En ausencia de otros aleantes

especficos, la nucleacin de esta fase

a partir del Fe lquido o del Fe slido es

muy lenta. En consecuencia, en el

sistema parece otra fase rica en C cuya

velocidad de nucleacin es mucho

mayor y por lo tanto aparece en

preferencia al grafito, la cementita

(Fe3C).

Diagrama estable Fe-C (lneas

de trazos)

Fase de equilibrio: grafito

(hexagonal)

Diagrama metaestable Fe-C (lneas continuas) Fase de equilibrio metaestable: cementita (6,7

%C, ortorrmbica)

Diagrama Fe-Fe3C

aceros fundiciones

Ferrita

Austenita

Cementita

Perlita

Debido a la diferencia de tamaos atmicos, adems de la cementita, el C forma con el Fe

una serie de soluciones slidas intersticiales.

La ferrita es una solucin slida

intersticial de C en Fe .

La austenita es una solucin slida

intersticial de C en Fe .

La ferrita es una solucin slida intersticial de C en Fe .

Las tres fases son relativamente

blandas, dctiles y tenaces. Por el

contrario la cementita es la fase ms

dura y frgil del diagrama.

Dependiendo de la fraccin en

volumen de cementita, su distribucin,

tamao y forma, se pueden lograr una

gran variedad de propiedades en los

aceros. Esta es una de las razones de

su uso tan extendido.

La fraccin en volumen depende del

%C y es la principal variable.

A medida que aumenta el %C hay

mayor fraccin de cementita y en

consecuencia mayor dureza y

resistencia mecnica aunque menor

ductilidad y tenacidad.

Variacin de las propiedades de

traccin y la tenacidad al impacto con el

% C de aceros al C para un

determinado estado metalrgico.

Un acero de 0,7 %C posee mayor resistencia mecnica que uno de 0,1 %C debido a que el

primero tiene un 10% de cementita mientras que el ltimo slo posee un 1%. En equilibrio,

las durezas de sus respectivas ferritas y cementitas son idnticas pues tambin los son las

composiciones de estas fases en los dos aceros.

Variacin de la tenacidad al impacto con el % C de aceros al C para un

determinado estado metalrgico.

Una reaccin peritctica a 1493 C

L0.53%C+0.09%C 0.17%C

Una reaccin eutctica a 1148 C

L4.3%C 2.08%C +F3C6.67%C

Una reaccin eutectoide a 723 C

0.8%C 0.02%C + F3C6.67%C

Aceros hipereutectoides:

%C > 0,8

Aceros eutectoides:

%C 0,8.

Aceros hipoeutectoides:

%C < 0,8.

Aceros hipereutectoides:

%C > 0,8

Aceros

eutectoides:

%C 0,8.

Aceros hipoeutectoides:

%C < 0,8.

Las temperaturas de transformacin

del diagrama poseen nombres que

se utilizan mucho tanto en los

diagramas de transformacin como

en la tecnologa de los tratamientos

trmicos:

A1:

es la T del eutectoide o primer T de

transformacin.

A3:

es la T del lmite del campo + con el campo .

Acm:

es la T que indica la curva de

solubilidad del C en .

Las temperaturas de transformacin varan con la velocidad de calentamiento o

enfriamiento. En equilibrio (velocidades extremadamente lentas) se denominan A1 y A3,

pero fuera del equilibrio se denominan Ac1 y Ac3 (del francs chauffage) para el

calentamiento y Ar1 y Ar3 para el enfriamiento (del francs refroidissement).

La diferencia de solubilidad se debe

al tamao de los intersticios entre

ambas redes.

A pesar de ser ms compacta, la

red FCC posee intersticios

octahedrales ms grandes que la

BCC.

Entonces, a pesar de poseer menor

cantidad de intersticios, la red FCC

puede alojar mayor cantidad de C.

SITIOS INTERSTICIALES EN LAS ESTRUCTURAS CRISTALINAS DE

LOS METALES

Intersticio tetradrico: Es aquel que esta rodeado por cuatro tomos centrados

en los vrtices de un tetraedro. En una estructura compacta (fcc y hcp) el tetraedro

es regular.

SITIOS INTERSTICIALES EN LAS ESTRUCTURAS CRISTALINAS DE

LOS METALES

Intersticio octadrico: Es aquel que esta rodeado por seis tomos, donde los

centros de los tomos constituyen los vrtices de un octaedro. En una estructura

compacta (fcc y hcp) el octaedro es regular.

SITIOS INTERSTICIALES EN LAS ESTRUCTURAS CRISTALINAS DE

LOS METALES

Intersticio octadrico. Es aquel que esta rodeado por seis tomos, donde los

centros de los tomos constituyen los vrtices de un octaedro. En una estructura

compacta (fcc y hcp) el octaedro es regular.

Sitios intersticiales en la estructura cbica centrada en las

caras (FCC)

(1/4,1/4,1/4),

(3/4,1/4,1/4),

(3/4,3/4,1/4),

(1/4,3/4,1/4),

(1/4,1/4,3/4),

(3/4,1/4,3/4),

(3/4,3/4,3/4) y

(1/4,3/4,3/4)

Sitios intersticiales en la estructura cbica centrada en las

caras (FCC)

(1/2,1/2,1/2),

(1,1,1/2),

(1,1/2,0) y

(1/2,1,0)

Sitios intersticiales en la estructura hexagonal compacta

(HCP)

Las coordenadas de los

intersticios, en la celda

monoclnica especial (a = b

c y = = 90

y = 120)

son:

(0,0,3/8),

(0,0,5/8),

(1,1,3/8) y

(1,1,5/8).

Sitios intersticiales en la estructura hexagonal compacta

(HCP)

Las coordenadas de los

intersticios, en la celda

monoclnica especial (a = b

c y = = 90

y = 120)

son:

(1/3,2/3,1/4) y

(1/3,2/3,3/4)

Sitios intersticiales en la estructura BCC

Los intersticios tetradricos, en

posiciones del tipo

se encuentran en el centro de un

tetraedro distorsionado definido por

dos tomos de los vrtices y dos

tomos correspondientes a los

centros de dos celdas adyacentes.

Sitios intersticiales en la estructura BCC

Los sitios octadricos se ubican en el

centro de las caras (,, 0) y en la

mitad de las aristas de la celda cbica

(,0, 0).

La solubilidad de un intersticial no depende del nmero de intersticios

disponibles, sino de su tamao. De hecho slo una muy baja fraccin de

intersticios de la red del Fe esta ocupada an con porcentajes altos de C.

Esta diferencia de solubilidad entre las dos fases es fundamental para entender

los tratamientos trmicos de los aceros. El hecho de poder solubilizar gran

cantidad de C a alta temperatura en la austenita y luego enfriar obligando a que

ese C se reparta entre ferrita y cementita permite obtener una gran variedad de

estructuras con diferentes propiedades. Tambin permite retener en solucin

slida sobresaturada una gran cantidad de C endureciendo fuertemente el acero

(martensita).

La solubilidad de un intersticial no depende del nmero de intersticios

disponibles, sino de su tamao. De hecho slo una muy baja fraccin de

intersticios de la red del Fe esta ocupada an con porcentajes altos de C.

Transformaciones de equilibrio durante el enfriamiento desde

el campo austentico.

Otros elementos presentes en los aceros

Adems del C, y an en los aceros no aleados, existen siempre otros elementos incorporados

intencionalmente o no. Entre ellos hay algunos que son fundamentales porque sirven para entender el

proceso de fabricacin del acero y adems se usan en la mayora de las especificaciones de aceros

como control de su calidad.

Si: proviene fundamentalmente del mineral de Fe, pero durante el proceso de refino es eliminado y

slo queda una pequea cantidad en el bao lquido. Sin embargo puede volver a agregarse para

calmar al acero evitando la accin esfervecente. Esto da origen a los aceros semicalmados y

calmados.

Cuando su cantidad en el anlisis de colada es menor a 0,05% se trata del residuo de Si que ha

quedado en el proceso de fabricacin.

Si: En cambio, cuando su cantidad es mayor que 0,05% es seal de que se ha agregado para calmar

el acero. En este caso, su cantidad generalmente es mayor a 0,1%.

El Si tiene otros usos como aleante, en cuyo caso su proporcin es mayor a las mencionadas.

Al: tambin proviene del mineral de Fe, pero su xido no es reducido fcilmente de modo que casi no

pasa al bao lquido. Sin embargo se puede agregar, al igual que el Si, para calmar al acero y

convertirlo en un acero calmado de prctica de grano fino, ya que adems el Al forma AlN que controla

el crecimiento del grano austentico durante los tratamientos trmicos. Su contenido est en el orden

de las decenas de ppm.

El Al posee otros usos como aleante, en cuyo caso se agrega en mayores cantidades.

S: proviene del coque en el alto horno, en menor proporcin del mineral, y tambin

del gas que se utiliza en la reduccin directa.

Es una de las dos impurezas principales y ms frecuentes en los aceros. En casi

todas las especificaciones se impone un lmite mximo en su contenido. En la

mayora de los aceros este lmite es aproximadamente 0,025 %.

Si bien una gran proporcin es eliminada en el alto horno, no se oxida durante la

refinacin del acero y se necesita de procesos especiales para reducir su contenido

hasta niveles ms bajos. En la medida en que se requiera menor porcentaje, el costo

del acero sube.

Hoy en da existen aceros con contenidos mximos garantizados de slo 0,001 %.

S: En ausencia de Mn, el S forma FeS durante la solidificacin. A su vez este sulfuro

forma un eutctico de bajo punto de fusin con el Fe (988

C) que segrega hacia

bordes de grano formando una red de eutctico (el S tiene un coeficiente de particin

muy grande y por lo tanto tiene una gran tendencia a segregar). En estas condiciones

el acero no puede ser calentado para su trabajado en caliente pues ocurrira la fusin

incipiente de los bordes de grano donde se aloja el eutctico (quemado del acero).

Para evitar este problema se recurre al Mn.

El S se usa como aleante en algunos aceros para mejorar la maquinabilidad

(aceros de corte libre, con S hasta 0,3%).

Introduccin a los

TRATAMIENTOS

TERMICOS

Ciclo trmico:

Operacin trmica aplicada a un metal con el objeto de obtener una cierta combinacin

de propiedades o bien relevar tensiones. La modificacin de las propiedades tiene una

profunda relacin con las transformaciones de fase que ocurren en el metal a causa

del ciclo trmico.

Ciclo trmico del tratamiento trmico de temple y revenido de una matriz, para

estampado en caliente para bielas de automvil, acero aleado de alto C, en el

ciclo se observan dos precalentamientos

TRATAMIENTOS TRMICOS

Alcance: se vern los aspectos metalrgicos de los tratamientos trmicos,

especialmente la relacin:

Ciclo trmico

Composicin

qumica

Microestructura

obtenida Propiedades

Otros aspectos relacionados con los tratamientos trmicos son:

Equipamientos (hornos, generadores de atmsferas, accesorios)

Atmsferas protectoras

Sistemas de medicin y control

Control de calidad

CLASIFICACIN

HipercrticoT>Ac3 o Acm

IntercrticoAc1