3. Actividades Diagrama de fases hierro-carbonoActividad 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 tecnolgica. Utilidad. b) Porqu no se trata de un verdadero diagrama de equilibrio? c) Propiedades y caractersticas de las fases slidas presentes en el diagrama. d) Reacciones invariantes que tienen lugar en el diagrama. Actividad 3.2 Qu fases estn presentes en una aleacin 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 qu 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 enfra lentamente desde la regin austentica justo por encima de la temperatura eutectoide. b) Un acero eutectoide del 0,8% C se enfra 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 enfra lentamente desde la regin austentica justo por encima de la temperatura de transformacin superior. b) Un acero al carbono hipoeutectoide del 0,4%C se enfra lentamente desde aproximadamente 900oC. Realizar un anlisis 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 enfra lentamente desde la regin austentica justo por encima de la temperatura de transformacin superior. b) Un acero al carbono hipereutectoide del 1,2% C se enfra lentamente desde aproximadamente 950oC. Realizar un anlisis 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: definicin 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 qu pasa cuando se realiza un enfriamiento rpido?

Resolucin de las actividadesActividad 3.1La 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 tecnolgica. Utilidad. b) Porqu no se trata de un verdadero diagrama de equilibrio? c) Propiedades y caractersticas de las fases slidas 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 aleacin capaz de hacer variar ms profundamente las propiedades del hierro, an encontrndose en la aleacin en una proporcin muy pequea. Resulta as que, convertido el carbono en el elemento de aleacin ms importante, el diagrama de equilibrio hierrocarbono adquiere una extraordinaria importancia en el estudio y utilizacin de las distintas aleaciones tecnolgicas del hierro. El diagrama de fases hierrocarbono es elmapa que indica cmo, cundo y en qu condiciones debe realizarse un tratamiento trmico y los resultados que deben esperarse del mismo. A partir del diagrama puede predecirse por ejemplo el tipo de constituyente mayoritario que tendr la aleacin en funcin de la temperatura y del contenido (%) de carbono; conocidos los constituyentes pueden predecirse entonces las propiedades que tendr dicha aleacin. 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 y carbono (grafito). Sin embargo, en la mayor parte de las condiciones, el Fe3C es muy estable y, por tanto, puede considerarse en la prctica como una fase de equilibrio. c) El diagrama de fases Fe-Fe3C contienen las siguientes fases slidas:

Ferrita-: es una solucin slida intersticial de carbono en la red cristalina del hierro BCC (cbica centrada en el cuerpo). Puede disolver en forma de solucin slida un mximo de 0,02% en peso de carbono a 723oC. A medida que la temperatura disminuye, la solubilidad del carbono tambin disminuye, siendo de 0,005% a 0oC. Tiene aproximadamente una resistencia mxima a la rotura de 280 MPa, un alargamiento del 35% y una dureza de 90 unidades Brinell. Es la forma ms blanda de todos los constituyentes del acero, muy dctil y maleable, adems de magntica.

Austenita (): es una solucin slida intersticial de carbono en hierro . El hierro tiene una estructura cristalina FCC (cbica centrada en las caras) y mayor solubilidad en estado slido para el carbono que la ferrita . La mxima solubilidad en estado slido 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 dctil y tenaz. Es amagntica. Tiene gran resistencia al desgaste, siendo el constituyente ms denso de los aceros.

Cementita (Fe3C): es un compuesto intersticial duro y quebradizo. Tienen lmites despreciables de solubilidad y una composicin del 6,67% en carbono y 93,3% en hierro. Es dbilmente ferromagntica a baja temperatura, perdiendo sus propiedades magnticas a 217oC.

Ferrita-: es una solucin slida intersticial de carbono en hierro . Tiene estructura cristalina BCC como la ferrita pero con una constante de red mayor. La mxima solubilidad en estado slido del carbono en ferrita 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 reaccin peritctica

Lquido (0,53% C) + Ferrita- (0,09% C) Austenita () (0,17% C)

a 1.148 oC tiene lugar una reaccin eutctica>br>

Lquido (4,3% C) Austenita () (2,08% C) + Cementita (Fe3C) (6,67%C)

a 723 oC tiene lugar una reaccin eutectoide

Austenita () (0,8% C) Ferrita- (0,02% C) + Cementita (Fe3C) (6,67%C)

Actividad 3.2Qu fases estn presentes en una aleacin 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 () es la nica fase presente a 1.500 oC; la austenita() + la cementita (Fe3C ) son las fases presentes a 750 oC, siendo la ferrita- + 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 qu 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 pequea cantidad (aproximadamente un 0,003%) a un 1,2% de carbono y de un 0,25 a un 1% de manganeso, as como menores cantidades de otros elementos (impurezas) reciben la denominacin de aceros ordinarios. Las fundiciones contienen normalmente del 2 al 4% de carbono y del 1 al 3% de silicio. Es comn 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 ms del 2% de C como fundiciones. (En la prctica, el contenido en carbono de los aceros y fundiciones es el expresado en el prrafo anterior.) A su vez y tambin 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 ms del 0,8% de C (aceros hipereutectoides)

b) Los aceros son, sin duda, los productos metlicos ms utilizados por la industria, a causa de su bajo coste y a que presentan una amplia gama de propiedades mecnicas, buena resistencia, tenacidad y ductilidad, aunque tienen una gran tendencia a la corrosin (no es el caso de los aceros inoxidables, considerados como las aleaciones ferrosas ms importantes a causa de su alta resistencia a la corrosin en medios oxidantes). Variando la forma de calentamiento y enfriamiento de los aceros se pueden obtener diferentes combinaciones de propiedades mecnicas. As por ejemplo, determinados aceros pueden ser tratados trmicamente por temple y revenido para conseguir aceros de gran resistencia con una razonable ductilidad; los elementos de aleacin como nquel, cromo y molibdeno se aaden a los aceros para producir aceros de baja aleacin, los cuales presentan una buena combinacin de alta resistencia y tenacidad, siendo de aplicacin comn en la industria de automocin para usos como engranajes y ejes.

Las fundiciones son tambin una familia de aleaciones ferrosas con una amplia variedad de propiedades. Producen excelentes aleaciones moldeadas puesto que se funden fcilmente, son muy fluidos en estado lquido y no forman pelculas 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 utilizacin para algunas aplicaciones.

Actividad 3.4a) Describir los cambios estructurales que tienen lugar cuando un acero eutectoide se enfra lentamente desde la regin austentica justo por encima de la temperatura eutectoide. b) Un acero eutectoide del 0,8% C se enfra 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 enfra muy lentamente hasta temperatura eutectoide -o justo por debajo de sta-, se provocar la transformacin de la estructura total de la austenita en una estructura laminar de placas alternadas de ferrita- y cementita (Fe3C). Esta estructura eutectoide recibe el nombre de perlita. La estructura perltica se mantendr prcticamente invariable si continua el enfriamiento hasta la temperatura ambiente.

Figura 3.2 Transformacin 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 aleacin

Fe-0,8% en peso de C a 750oC, A 750oC, el 100% en peso de la aleacin est en fase de austenita () (0,8% de C) Si la muestra es enfriada hasta justo por debajo de la la temperatura eutectoide (723oC), punto "b" del diagrama, se producir la siguiente reaccin: Austenita () (0,8% C) Ferrita- + Cementita (Fe3C)

A 723oC-T un 88,3% de la aleacin est en forma de ferrita- (0,02% de C) y un 11,7% en forma de cementita ( 6,67% de C), formando la perlita.

Actividad 3.5a) Describir los cambios estructurales que tienen lugar cuando un acero al carbono de 0,4%C (hipoeutectoide) se enfra lentamente desde la regin austentica justo por encima de la temperatura de transformacin superior. b) Un acero al carbono hipoeutectoide del 0,4%C se enfra lentamente desde aproximadamente 900oC. Realizar un anlisis 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 transformacin se encuentra 100 % en fase de austenita. Si se enfra muy lentamente hasta la temperatura b de la figura 3.4, se producir la

transformacin de parte de la estructura de la austenita en ferrita- (ferrita proeutectoide), que crecer mayoritariamente en los bordes de grano austenticos. Conforme se va enfriando, acercndose a la temperatura eutectoide (723oC+T), punto c de la figura, la cantidad de ferrita proeutectoide formada ir 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 transformar en perlita (ferrita- + cementita). La ferrita- de la perlita se llama ferrita eutectoide, para distinguirla de la ferrita proeutectoide formada anteriormente por encima de 723 C.o

Figura 3.4 Transformacin 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 regin austentica. 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 aleacin est en fase de austenita () (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 () se transformar en Ferrita-; se trata ahora de conocer que % de austenita se transforma en ferrita-.

A 723oC+T un 51,3% del acero est en forma de ferrita- 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 provocar la transformacin de la austenita remanente (un 48,7%) en ferrita- y cementita segn la reaccin que sigue: Austenita () (0,8% C) Ferrita- + Cementita (Fe3C)

A 723oC-T un 94,3% de la aleacin est en forma de ferrita- (0,02% de C) y un 5,7% en forma de cementita (6,67% de C). Del 94,3% de ferritapresente en el acero, el 51,3% es ferrita- proeutectoide y el 43% es ferrita eutectoide. El acero hipoeutectoide con 0,4%C presenta a una temperatura ligeramente inferior a 723oC un 51,3% de ferrita- proeutectoide y un 48,7% de perlita (43% ferrita- eutectoide + 5,7 cementita eutectoide).

c) A 900 oC, el 100% en peso de la aleacin est en fase de austenita () (0,7% de C)

A 723oC+T un 12,8% del acero est en forma de ferrita- 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 aleacin est en forma de ferrita- (0,02% de C) y un 10,2% en forma de cementita (6,67% de C). Del 89,8% de ferritapresente en el acero, el 12,8% es ferrita- proeutectoide y el 77% es ferrita eutectoide. El acero hipoeutectoide 0,7%C presenta a una temperatura ligeramente inferior a 723oC un 12,8% de ferrita- proeutectoide y un 87,2% de perlita (77% ferrita- eutectoide + 10,2% cementita eutectoide).

A continuacin se recogen en forma de tabla los resultados obtenidos, a 723oC-T, en los apartados b y c ms 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- proeutectoide 51,3 12,8 % de perlita 48,7 87,2 100

Conclusin: Cuanto mayor sea la proximidad del contenido de carbono del acero hipoeutectoide a la composicin eutectoide (0,8%C) ms cantidad de perlita estar presente en la microestructura del acero.

Actividad 3.6a) Describir los cambios estructurales que tienen lugar cuando un acero al carbono de 1,2%C (hipereutectoide) se enfra lentamente desde la regin austentica justo por encima de la temperatura de transformacin superior. b) Un acero al carbono hipereutectoide del 1,2% C se enfra lentamente desde aproximadamente 950oC. Realizar un anlisis 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 transformacin se encuentra 100 % en fase de austenita. Si se enfra muy lentamente hasta la temperatura b de la figura 3.6, se producir la transformacin de parte de la estructura de la austenita en cementita (Fe3C) (cementita proeutectoide), que crecer principalmente en los bordes de grano de la austenita. Con otro enfriamiento tambin lento hasta el punto c, acercndose a la temperatura eutectoide (723oC+T), se formar ms 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 transformar en perlita segn la reaccin eutectoide. La cementita formada segn la reaccin eutectoide se denomina cementita eutectoide, para distinguirla de la cementita proeutectoide formada a temperaturas por encima de 723oC. La ferrita- de la perlita es ferrita eutectoide, formada tambin mediante la reaccin eutectoide.

Figura 3.6 Transformacin 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 regin austentica. La cementita proeutectoide aparece como el constituyente blanco, alrededor de la perlita. La cementita perltica toma la forma de lminas 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 aleacin est en fase de austenita () (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 () se transformar en cementita; se trata ahora de conocer que % de austenita se transforma en cementita.

A 723oC+T un 6,8% del acero est 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 provocar la transformacin de la austenita remanente (un 93,2%) en ferrita- y cementita segn la reaccin que sigue: Austenita () (0,8% C) Ferrita- + Cementita (Fe3C)

A 723oC-T un 17,7% de la aleacin est en forma de Cementita (Fe 3C) (6,67% de C) y un 82,3% en forma de ferrita- 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- eutectoide).

c) A 950 oC, el 100% en peso de la aleacin est en fase de austenita () (1,05% de C)

A 723oC+T un 4,3% del acero est 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 aleacin est en forma de Cementita (Fe 3C) (6,67% de C) y un 84,5% en forma de ferrita- 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- eutectoide).

A continuacin se recogen en forma de tabla los resultados obtenidos, a 723oC-T, en los apartados b y c ms 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 % de perlita 100 95,7 93,2

Conclusin:

A medida que el contenido de carbono de cualquier acero hipereutectoide aumenta, el espesor de la red de cementita proeutectoide se incrementa.

Actividad 3.7Perlita eutectoide: definicin y propiedades. La perlita es un constituyente eutectoide formado por lminas paralelas y alternadas de ferrita- y cementita (Fe3C) producida por la descomposicin eutectoide de la austenita. Tiene una resistencia mxima 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 qu pasa cuando se realiza un enfriamiento rpido? 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 aleacin hierro-0,5% de C a la temperatura de 1200 oC se encuentra 100% en forma de austenita; si enfriamos la muestra rpidamente desde 1200oC a temperatura ambiente, obtendremos un acero totalmente austentico.