DIAGRAMA HIERRO- CARBONO

Transcripción

1 PARTAMENTO DIAGRAMA HIERRO - CARBONO En el diagrama hierro-carbono entregado se ha representado en el eje de las abscisas las proporciones de carbono y también las de carburo de hierro CFe 3 (cementita). Se ha elegido una escala logarítmica para que la zona correspondiente al acero ocupe el mayor espacio posible. En el eje de las ordenadas se han representado las temperaturas. A la vista del diagrama podemos apreciar que en el eje de las abscisas hay cuatro puntos bien definidos: 1º.- El límite del diagrama corresponde a una proporción de carbono del 6,67 % que es el de la cementita pura. Las aleaciones hiero-carbono con carbono en proporción superior al 6,67 %, lo contendrán en forma de grafito y, por tanto, están excluidas de las aleaciones ahora consideradas, que deben estar formadas única y exclusivamente con carbono combinado con el hierro en forma de carburo de hierro. 2º.- El punto C denominado eutéctico, correspondiente a una proporción de carbono del 4,3 %, y de carburo de hierro en total de 64,5 %. La aleación del 4,3 % de carbono es la de más bajo punto de fusión (1.130 ) (1.148º). Además, la totalidad de la masa de la aleación funde o se solidifica a una sola temperatura en lugar de a dos temperaturas, una de principio y otra de fin del cambio de estado (fusión o solidificación, como ocurre con las aleaciones de contenido de carbono superior o inferior al 4,3 %). Por eso la línea ABCD (OZCD), de principio de solidificación, tiene con la AHJECF (OBYECF) el punto común C, que es el eutéctico. Y así como con contenidos inferiores de carbono entre el principio y el fin de la solidificación se va precipitando austenita, y para aleaciones de contenidos de carbono superiores al 4,3 % entre el principio y el fin de la solidificación se precipitan cristales de cementita, las aleaciones del 4,3 % de C se solidifican formando un solo constituyente, que también se denomina eutéctico y es la ledeburita, formado, como se sabe, por el 52 % de cementita y el 48 % de austenita de 1,76 % (2,11%) de carbono a (1.148) grados. 3º.- El punto E marca la máxima solubilidad del carbono en hierro gamma; es decir, que es el punto de máximo contenido de carbono de la austenita, que, como se recordará, es solución sólida de carbono en hierro gamma. Este punto corresponde a un contenido de carbono de 1,76% (2,11%). Además, el punto de 1,76 % (2,11%) en el eje de las abscisas divide las aleaciones de hierro-- carbono en dos clases de características muy distintas: los aceros de contenido de carbono inferior al, 1,76% (2,11%) hasta 0,03% (0,022%), y las fundiciones de contenido de carbono comprendido entre 1,76 (2,11) a 6,67 %. Los aceros son las aleaciones de hierro-carbono que a partir de una temperatura determinada, marcadas en el diagrama por las líneas A 3 (GS) (GP) Y Acm (SE) (PE), se transforman íntegramente en austenita, y la austenita, al enfriarla rápidamente, se convierte en martensita. 4º.- El punto S (P), denominado eutectoide, es análogo al punto C, que denominábamos eutéctico. La diferencia está en que en el punto eutéctico tiene lugar un cambio de estado de líquido a sólido o de sólido a líquido, y en el punto eutectoide se produce solamente una transformación de la constitución de la aleación, que es sólida lo mismo a temperaturas inferiores que a temperaturas superiores al punto eutectoide. La analogía, salvo esta diferencia, es total. Así como el punto C (eutéctico) marcaba la composición de la aleación que permanecía líquida a más baja temperatura, también el punto S (P) (eutectoide) marca la composición de la austenita, que es estable a más baja temperatura. Este porcentaje es de 0,89% (0,77%) de C, o sea, 13,5% de carburo de hierro. Además, la totalidad de la masa de la austenita, de composición eutectoide, se transforma íntegramente al pasar por el punto S (P) (eutectoide) en perlita, que es el constituyente eutectoide, igual que era la ledeburita el constituyente eutéctico que se formaba al solidificarse la aleación en el punto C (eutéctico). Para contenidos de carbono superiores o inferiores al del punto S (P) (0,89 % de C) (0,77% de C), la austenita va segregando un constituyente nuevo hasta que, al llegar a la temperatura de 723º (727º), la austenita alcanza la composición eutectoide y se transforma

2 PARTAMENTO íntegramente en perlita. Para porcentajes de carbono superiores ai 0,89% (0,77%), la austenita, al enfriarse por debajo de la línea Acm (SE) (PE), segrega cementita hasta llegar a los 723º (727º). Y para porcentajes de carbono inferiores al 0,89% (0,77%) de C, la austenita, al bajar en su enfriamiento de temperaturas inferiores a las de la línea A 3 (GS) (GP), segrega ferrita hasta llegar a los 723º (727º). 5º.- Punto J (Y), cuyo porcentaje de carbono de 0,18 % es el de la austenita, que permanece estable a la más alta temperatura de Este punto se denomina peritéctico, y puede considerarse como un punto eutéctico al revés. 6º.- El punto H (B), de 0,08 % de C, es el máximo porcentaje que puede contener en solución sólida el hierro delta. 7º.- Y, por fin, el punto P (L), de 0,025 % (0,022%) de C, que es el máximo porcentaje de carbono que puede disolver la ferrita. Se ha marcado también en el diagrama, en el eje de las abscisas, un punto que corresponde a 0,03 % (0,022%) de carbono, que es el mínimo que puede contener el hierro para que se considere aleación hierro-carbono. Por debajo de este porcentaje de carbono se considera como hierro técnicamente puro. En el eje de las ordenadas hay los siguientes puntos críticos: A o = 210 (230º), en el que tiene lugar el cambio magnético de la cementita. Es decir, hasta 210 (230º) la cementita es magnética, y por encima de esta temperatura deja de ser magnética. A 1 = 723 (727º), que es el límite de la perlita. A 2 = 768, que es la temperatura de cambio magnético de la ferrita. Por encima de esta temperatura, la ferrita deja de ser magnética. A 3 = (línea SG) (GP), que es el límite de la ferrita. Este punto crítico varía desde 723º (727º) a 910 (912º), según el % de carbono. Acm = (línea SE) (PE), que es el límite de la cementita. Este punto crítico varía entre 723 (727º) y (1.148º). Línea EF = (1.148º), que es el límite de la ledeburita. La línea AHJECF (OBYECF) es la de temperaturas de iniciación de la fusión al calentar o de terminación de la solidificación al enfriar. Por debajo de esta línea todo el metal está sólido. La línea ABCD (AZCD) es la de temperaturas de fin de la fusión al calentar o de iniciación de la solidificación al enfriar. Por encima de ella todo el metal está en estado líquido. Entre esta línea y la anterior existe una mezcla de líquido y sólido. Línea A 4 = (línea HB) (BZ), que es el límite superior de la austenita. Procesos de solidificación de seis aleaciones hierro-carbono Para la mejor comprensión del diagrama hierro-carbono examinaremos el proceso de solidificación de seis aleaciones de los siguientes porcentajes de carbono: 0,3 %, 0,89 %, 1,2 %, 3 %, 4,3 % y 5 %. I. ALEACIÓN 0,3%.- A C, aproximadamente, comienza la solidificación con la aparición de cristales de solución sólida de carbono en hierro delta. Al cruzar los C, el hierro delta se transforma en hierro gamma, según la reacción: Líquido + cristales de solución sólida de carbono en hierro delta = líquido + + cristales de solución sólida de carbono en hierro gamma (austenita) A medida que baja la temperatura de los 1.492, van creciendo los cristales de austenita y formándose otros nuevos hasta llegar a la temperatura aproximada de 1.475, en que la aleación compuesta exclusivamente por austenita queda totalmente solidificada. Desde hasta 815, aproximadamente, no hay variación de estructura, conservándose la fase de carbono disuelto en hierro gamma, es decir, austenita. La única variación es el tamaño del grano, que disminuye a medida que baja la temperatura hasta 850º.

3 PARTAMENTO Desde los 815, es decir, desde que la línea de enfriamiento cruza la línea A 3 (GS) (GP), empiezan a transformarse los cristales de hierro gamma en cristales de hierro beta, o sea, en ferrita no magnética, y en mayor proporción a medida que desciende la temperatura. Al pasar la temperatura de 768, o sea, a la línea A 2, el hierro beta (no magnético) se transforma en hierro alfa (magnético). Desde entonces, a medida que baja la temperatura, los cristales de hierro gamma se transforman en cristales de hierro alfa, o sea, en ferrita magnética. Cuando la línea de enfriamiento llega a A 1, la aleación estará formada por ferrita (hierro alfa) y austenita, con un contenido de carbono de 0,89% (0,77%) (el punto S (P)). Al cruzar la línea A 1, la austenita se transforma íntegramente en perlita, que, como, se recordará, está formada por el 86,5% (88,6%) de ferrita (hierro alfa) y el 13,5% (11,4%) de cementita (CFe 3 ), o con un contenido de carbono de 0,89% (0,77%), quedando finalmente constituída la aleación por ferrita y perlita. Como la ferrita es hierro prácticamente puro, la austenita residual va enriqueciéndose de carbono, y su contenido en cada punto, por ejemplo, P 1, viene dado por la abscisa del punto X 1, en que la horizontal del P 1 corta la línea A 3 (GS) (GP). La cementita formada no es magnética, pero al cruzar en su enfriamiento la línea A 0, a 210 (230º), se transforma en magnética. Una transformación similar tiene lugar en el enfriamiento de todas las aleaciones de porcentaje de carbono comprendido entre 0,08 y 0,4 %. Y también siguen un proceso parecido las aleaciones de porcentajes de carbono comprendido entre 0,4 y 0,89 % (0,77%), pero sin pasar por la fase delta, puesto que del metal líquido, al cruzar la línea BC, se empiezan a precipitar cristales de austenita. II. ALEACIÓN 0,89% C.-El comienzo de la solidificación se verifica sin pasar el hierro por la fase delta, iniciándose con la formación de cristales gamma, desde el punto en que la línea II cruza la línea BC, a unos Los cristales de hierro gamma van creciendo y aumentando de número igual que en el proceso anterior. El contenido de carbono de estos cristales viene dado en cada punto, P 2, P 3, P 4, de la línea de enfriamiento II, por las abscisas de los puntos X 2, X 3 y P 4, en que las horizontales de los puntos P 2, P 3 y P 4 cortan la curva JE (YE), y el contenido de carbono del líquido residual viene dado por las abscisas de los puntos P 2, X 3 y X 4, en que las horizontales de los puntos P 2, P 3 y P 4 cortan a la curva BC (ZC). Como en el caso anterior, a medida que se enfría la aleación va disminuyendo el tamaño de los granos. Como se trata de una aleación de 0,89 % (0,77%) de carbono, al descender de 723 (727º), toda la austenita se transforma íntegramente en perlita, siendo este constituyente el único que forma esta aleación denominada eutectoide. O sea, que: austenita = perlita A partir de los 210 (230º), la cementita de la perlita, como en el caso anterior, vuelve a ser magnética. III. ALEACIÓN 1,2 % C.-Comienza la solidificación al pasar la línea III por la línea BC (ZC) en el punto P 5, a unos 1.430, con la formación de cristales de austenita que crecen y aumentan de tamaño a medida que se enfría la aleación, hasta llegar a P 6, a unos (1.148º), en que la aleación se solidifica por completo al cruzar la línea JE (YE), igual que en el caso anterior. Los porcentajes de carbono de los cristales de austenita y del líquido residual los dan, como en el caso anterior, las abscisas de los puntos en que las horizontales que pasan por los puntos de la línea de enfriamiento III cortan a la línea JE (YE) o a la línea BC (ZC). También se puede calcular, como en el caso anterior, el porcentaje de cristales de austenita y de líquido. Entre los puntos P 6 y P 7 (a 850º) no hay más variación en los cristales de austenita que una reducción de tamaño.

4 PARTAMENTO A partir del punto P 7 empiezan a nacer cristales de cementita bordeando los granos de austenita, creciendo aquéllos a medida que desciende la temperatura. Esto es debido a que la capacidad de disolución del carbono en el hierro gamma desciende con la temperatura desde el punto E, que es la máxima, a (1.148º). Por eso el punto P 7, y a medida que se enfría, se va precipitando carburo de hierro, o sea, cementita. No se olvide que la austenita es una solución sólida, de porcentaje variable según la temperatura, de carbono en hierro gamma. El porcentaje de carbono de la austenita en cualquier punto, por ejemplo P 8, es el indicado por la abscisa del punto X 8, en que la horizontal que pasa por el punto P 8 corta a la línea Acm (E-S) (E-P). La cementita precipitada se denomina secundaria o proteutectoide para distinguirla de la cementita primaria o proeutéctica, formada al iniciarse la solidificación de las fundiciones hipereutécticas, de más de 4,3 % de carbono. Al cruzar la línea de enfriamiento III, la línea A (SK) (PM), la austenita tiene el porcentaje de carbono del punto S, que es 0,89 % (0,77%), o sea, el de la perlita. Al descender de 723º (727º) se transforma, por tanto, la austenita íntegramente en perlita, quedando como constituyente final cementita y perlita. La cementita formada no es magnética, y al cruzar en el enfriamiento la línea A 0 a 210 (230º), se transforma en magnética. Una transformación parecida tiene lugar en el enfriamiento de todas las aleaciones hierrocarbono de porcentajes comprendidos entre 0,89 (0,77) y 1,76 % (2,11%) de C. IV. ALEACIÓN 3 % C.- A aproximadamente, al cruzar la línea de enfriamiento IV a la línea BC por el punto P 9, comienza la solidificación con la precipitación de cristales de austenita, cuyo porcentaje de carbono está marcado por la abscisa del punto X 9 de encuentro de la horizontal que pasa por P 9 con la línea JE (YE). Al descender la temperatura, los porcentajes de carbono de la austenita van creciendo, pues siguen la línea X 9 E. Los porcentajes de carbono del líquido madre están señalados por las abscisas de los puntos X 10, en que las horizontales que pasan por los puntos P 9, P 10, etc., cortan a la línea BC (ZC). A medida que se enfría la aleación, van creciendo también estos porcentajes, según la línea BC (ZC), desde P 9, que es 3 % hasta el punto C, que es 4,3 %. Al cruzar por el punto P 11 a la línea EF, a 1.130º (1.148º), el porcentaje del carbono de la austenita formada es 1,76% (2,11%), y el del líquido madre es igual a 4,3 %. Al descender la temperatura, el líquido madre se solidifica bruscamente, formando cristales de ledeburita, que es un constituyente eutéctico formado por el 52 % de cementita y el 48 % de austenita de 1,76% (2,11%) de C, a (1.148º), pues a medida que desciende la temperatura disminuye el porcentaje de carbono de la austenita. Al seguir enfriándose la aleación a partir de los (1.148º), tanto la austenita libre como la que forma parte de la ledeburita, van empobreciéndose de carbono según la línea ES (EP), estando indicado su porcentaje en cualquier punto, como, por ejemplo, el P 12, por la abscisa del punto X 12, en que la horizontal que pasa por P 12 corta la línea ES (EP). La disminución de carbono de la austenita es, como siempre, producida por la precipitación de cristales de cementita, que crecen cuanto más bajas son las temperaturas. Esta cementita se denomina cementita proeutectoide o también cementita secundaria. Al llegar la aleación al punto P 13, en la línea A 321 a 723 (727º), el porcentaje de carbono de la austenita, tanto libre como de la ledeburita, es 0,89 % (0,77%), o sea, el de la perlita. Por tanto, al descender de 723 (727º), la austenita se transforma íntegramente en perlita, obteniendo finalmente, como constituyente de la aleación, perlita, cementita secundaria o proeutectoide (procedente del empobrecimiento de C de la austenita libre y del de la ledeburita) y cementita eutéctica procedente de la ledeburita. Al cruzar los 210 (230º) tiene lugar el cambio magnético de la cementita. Una transformación similar tendrá lugar en todas las aleaciones de hierro al carbono de porcentajes comprendidos entre 1,76 (2,11) y 4,3 % de C. V. ALEACIÓN 4,3 % C.-Es la aleación de más bajo punto de fusión. La línea de enfriamiento pasa por el punto C, denominado eutéctico (fluidez perfecta), a cuya temperatura de (1.148º)

5 PARTAMENTO se solidifica bruscamente la totalidad de la aleación sin pasar por fases intermedias de parte líquida y parte sólida, formando un solo constituyente, denominado ledeburita, cuyo porcentaje de carbono es precisamente 4,3 % y está formado, a (1.148º), por el 52 % de cementita y el 48 % de austenita de 1,76 % (2,11%) de C. Al descender la temperatura va segregando la austenita de la ledeburita cristales de cementita secundarios. El porcentaje del carbono de la austenita va descendiendo según la línea ES (EP), para llegar al punto P 14, a 723 (727º), con 0,89 % (0,77%) de carbono. Al descender de 723º (727º), la austenita de 0,89 % (0,77%) de C se transforma íntegramente en perlita, quedando constituída la aleación por cementita eutéctica, cementita secundaria formada por la segregación de la austenita y perlita. A 210º (230º) tiene lugar el cambio magnético de la cementita. VI. ALEACIÓN L 5 % C.-La solidificación se inicia con la formación de cristales de cementita proeutéctica o primaria, a unos 1.400, al cruzar por el punto P 15 la línea de solidificación a la línea DC. A medida que desciende la temperatura, aumenta el número de cristales de cementita, empobreciéndose de carbono el líquido madre, según la línea P 15 X 16. Es decir, que el porcentaje de carbono de cualquier punto P I6 viene dado por la abscisa de X l6 del encuentro de la horizontal que pasa por P 16 con la línea CD. Al llegar a los (1.148º), el líquido madre, que contiene el 4,3% de carbono, se solidifica bruscamente, formando cristales de ledeburita. A partir de (1.148º), como en el caso anterior, va reduciéndose el porcentaje de C de la austenita de la ledeburita, según la línea Acm (ES), naciendo cristales de cementita secundaria en los bordes de los granos de la austenita. En el punto P 17 a 723 (727º), el porcentaje de carbono de la austenita es 0,89 % (0,77%) C. Al bajar de 723 (727º) se transforma en perlita, resultando constituída finalmente la aleación por cristales de cementita primaria proeutéctica, cementita eutéctica procedente de la ledeburita, cementita proeutectoide procedente de la segregación de la austenita de la ledeburita y perlita. Por debajo de 210º (230º) tiene lugar el cambio magnético de la cementita. Una transformación similar tendrá lugar en el enfriamiento de todas las aleaciones de hierrocarbono de porcentajes comprendidos entre 4,3% y 6,67% de C.

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7 PARTAMENTO