06 Diagrama Fe-C. Año /09/ TRANSFORMACIONES EN ESTADO SÓLIDO DIAGRAMA Fe -C

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Xavier Fidalgo Sosa
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1 06 Diagrama Fe-C Año /09/ Dentro de las aleaciones cuyas transformaciones se realizan en estado sólido esta la aleación Fe-C. Dentro de estas aleaciones tenemos los aceros y las fundiciones. Comenzaremos el estudio del acero, en su versión mas simple: aceros al carbono. Acero: son aleaciones Fe-C, deformable plásticamente, con contenido de C menor a 2% y que además contiene otros elementos agregados de forma accidental (impurezas) o deliberada (aleantes). Los aceros al carbono son aquellos que tienen bajo nivel de elementos agregados. Por ejemplo la IRAM-IAS U , especifica que el contenido de estos elementos debe ser menor a la siguiente tabla. Hay otros aceros que se llaman aleados y tienen agregados elementos tales como: Cr, V, W, Ti, B, Ni, Mo, Cu, etc. que le confiere propiedades notables. 2

2 C 4

3 Las fases sólidas que forman la aleación Fe-C son: Ferrita-α o Fe-α, es una solución sólida de C en Fe, su estructura es BCC. La solubilidad máxima de C en Fe-α es 0,022 % a 727 C Austenita o Fe-γ, es una solución sólida de C en Fe, su estructura es FCC. La solubilidad máxima de C en Fe-γ% de 2,14% a 1147 ºC Cementita (Fe 3 C), es un compuesto intermetálico, su estructura es ortorrómbica simple. La solubilidad es despreciable Ferrita-δ o Fe-δ, es una solución sólida de C en Fe, su estructura es BCC. La solubilidad máxima de C en Fe-α es 0,09 % a 1493 C 5 En el caso de hierro puro (%C = 0), cuáles son los rangos de temperatura en los cuales existen las siguientes fases? Ferrita-α Austenita-γ Cementita-θ Ferrita-δ A qué composición y en qué temperatura se da la transformación eutéctica del diagrama Fe-C? Y la eutectoide? 6

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.

El Fe 3 C se dice entonces metaestable; por tanto, el diagrama Fe-Fe 3 C, aunque técnicamente representa condiciones metaestables, puede considerarse como representante de cambios en equilibrio, bajo

4 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 Fe 3 C 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 Fe 3 C se dice entonces metaestable; por tanto, el diagrama Fe-Fe 3 C, aunque técnicamente representa condiciones metaestables, puede considerarse como representante de cambios en equilibrio, bajo condiciones de calentamiento y enfriamiento relativamente lentas. 7 Reacciones invariantes del diagrama Fe-Fe 3 C Eutectoide Perlita Composición: 0,77%wt C Temperatura: 727 C γ 727C α + FeC 3 Eutéctico Ledeburita Composición: 4,30%wt C Temperatura: 1147 C 1147C líquido γ + FeC 3 8

5 Acero eutectoide: acero al carbono que contiene 0,77%wt C. Se llama así porque cuando la austenita de esta composición es enfriada lentamente a menor temperatura de la eutectoide se forma una estructura totalmente eutectoide de ferrita α y Fe 3 C. Acero hipoeutectoide: aceros con menos de 0,77%wt C. Por lejos son la base de las aleaciones más utilizadas en la industria. Acero hipereutectoide: aceros que contienen más de 0,77%wt C. 9 Aceros eutectoides A 800 C la única fase estable es la austenita (Fe-γ). Se dice que el acero esta asutenizado. Al enfriar desde 800 C no ocurre ningún cambio hasta llegar a la temperatura eutectoide (727 C). En el punto a, la austenita comienza la transformación eutectoide. La austenita de composición 0,77%C forma ferrita, con bajo contenido en carbono (0,022%C) y Fe 3 C con un contenido de 6,7% en carbono. 10

Aceros hipoeutectoides En este caso, acero con 0,25%C, para austenizar completamente se debe calentar por encima de 830 C. En este ejemplo el enfriamiento parte de 875 C (punto c).

La ferrita continua creciendo a expensas de la austenita hasta los 727 C. A los 770 C la ferrita deja de ser paramagnética y pasa a ser ferromagnética.

6 Aceros hipoeutectoides En este caso, acero con 0,25%C, para austenizar completamente se debe calentar por encima de 830 C. En este ejemplo el enfriamiento parte de 875 C (punto c). En este punto la única fase estable es austenita. Cuando la temperatura pasa la línea MO, comienza la precipitación, en borde de grano, de Fe-α. La ferrita continua creciendo a expensas de la austenita hasta los 727 C. A los 770 C la ferrita deja de ser paramagnética y pasa a ser ferromagnética. Cuando el acero se enfría por debajo de los 727 C las únicas fases estables son ferrita y cementita. En definitiva, el resto de austenita se transforma en α + Fe 3 C (perlita), por medio de una transformación eutectoide. 11 Fe-0,13%C ( Fe-0,40%C ( 12

7 Aceros hipereutectoides En este caso, un acero con aproximadamente 1,2%C, el enfriamiento comienza a los 900 C (punto g). En este punto la única fase estable es austenita, que tiene en disuelto en solución sólida 1,2%C. Cuando la temperatura pasa la línea PO, comienza la precipitación, en borde de grano, de cementita. La ferrita continua creciendo a expensas de la austenita hasta los 727 C. Cuando el acero se enfría por debajo de los 727 C las únicas fases estables son ferrita y cementita. En definitiva, el resto de austenita se transforma en α + Fe 3 C (perlita), por medio de una transformación eutectoide. 13 Fe-1,3%C ( 14

Fundición hipoeutéctica En este caso, una fundición de con 2,4%C, el enfriamiento comienza a los 1400 C. En este punto la única fase estable es... Aproximadamente a los... C solidifica la fase.

8 Fundición hipoeutéctica En este caso, una fundición de con 2,4%C, el enfriamiento comienza a los 1400 C. En este punto la única fase estable es... Aproximadamente a los... C solidifica la fase... Por debajo de los 1147 C el resto de líquido que aun no solidifico se convierte en... (eutéctico). Continua el enfriamiento y la austenita segrega C hasta los 727 C. En este punto el resto de austenita se transforma en α + Fe 3 C, en forma de Fe-2,4%C ( 16

Fundición hipereutéctica En este caso, una fundición de con 4,37%C, el enfriamiento comienza a los 1300 C. En este punto la única fase estable es líquido. Aproximadamente a los.

9 Fundición hipereutéctica En este caso, una fundición de con 4,37%C, el enfriamiento comienza a los 1300 C. En este punto la única fase estable es líquido. Aproximadamente a los... C solidificaría la fase..., pero como esta aleación contiene 2,1%Si, en lugar de solidificar Fe 3 C solidifica grafito en forma de escamas. Por debajo de los 1147 C el resto de líquido que aun no solidifico se convierte en... (eutéctico). Continua el enfriamiento y la austenita del eutectico segrega C hasta los 727 C. En este punto la austenita se transforma en α + Fe 3 C, en forma de Fe-3,6%C + 2,1%Si ( 18

10 Preguntas 1. Cómo se define acero (steel) y acero al carbono (carbon steel) en la ASTM A 941? 2. Por qué se estudia el diagrama Fe-Fe 3 C en vez del diagrama Fe-C? 3. Para una acero de 0,20%C, cuál es la fase que primero solidifica? a qué temperatura lo hace? 4. Realice el análisis de las fases y estructuras presentes, a diferentes temperaturas, para una composición de 4,3%C partiendo desde 1300 C. 5. Por qué la solubilidad máxima de C en γ es casi 100 mayor que en la fase α? 6. Determine la línea solidus en el diagrama Fe-Fe 3 C. 7. Realice un esquema de la microestructura a temperatura ambiente de aceros con contenido de C igual a 0,2%; 0,4% y 0,8%. 8. En qué clase de productos suelen encontrarse aceros eutectoides? 19 Preguntas 9. Por qué en la micrografía de la diapositiva 17 (4,37%C) en vez de solidificar Fe 3 C solidificó grafito? 10. Cuál es la composición eutectoide y a qué temperatura se da? 11. Qué fases del diagrama Fe-Fe 3 C son magnéticas? Cómo se conoce a la temperatura donde existe un cambio de comportamiento magnético de paramagnético a ferromagnético? 12. A qué temperatura comienza y termina de solidificar una aleación con Fe y 0,25%C? 13. Describa las fases sólidas del diagrama Fe-Fe 3 C. 14. Identifique en el diagrama Fe-Fe 3 C la zona de los aceros y la de las fundiciones. 15. Qué resistencia a la tracción esperaría para una acero con contenido de carbono 0,4% considerando la expresión del punto 2.6 del apunte Estructuras metalográficas y transformaciones de fase? Compárelo con los datos para una acero AISI 1040 (en estado recocido, annealed) según el sitio Cuánto es la diferencia entre ambos valores? 20

11 Preguntas 16. Cuál es el elemento de aleación de aleaciones ferrosas que hace que aparezca grafito en lugar de cementita en una fundición de hierro? 1. C 2. Mn 3. Si 4. S 17. Cuál es la temperatura de transformación eutectoide del diagrama Fe- C? C C C 4. depende del %C 18. Cuánto es la solubilidad máxima del C en austenita? 1. 0,022% 2. 0,88% 3. 0,22% 4. 2,14% 21 Preguntas 19. Cómo se denomina el constituyente producto de la reacción eutectoide en el diagrama Fe-C? 1. ledeburita 2. cementita 3. ferrita 4. perlita 20. Aproximadamente, a qué temperatura comienza a precipitar ferrita durante el enfriamiento de una aleación Fe-0,45%C? C C C C 21. Qué porcentaje de perlita esperaría observar en una metalografía de una aleación Fe-0,20%C? % 2. 75% 3. 50% %

12 Referencias en internet agrams.php?id=

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