TEMA 3: ALEACIONES Fe-C, PROPIEDADES Y CLASIFICACIÓN. 2.- Formas de encontrar el carbono en las aleaciones férreas

Transcripción

1 TEMA 3: ALEACIONES Fe-C, PROPIEDADES Y CLASIFICACIÓN 1.- Estados alotrópicos del Hierro (Fe) Según las condiciones de, el hierro puede presentar diferentes estados, con mayor o menor capacidad para disolver el carbono. Hierro α: cristaliza hasta una de 768 ºC en la red CCB. No disuelve prácticamente al carbono. Es magnético. Hierro β: cristaliza entre 768 ºC- 910 ºC en la red CCB. No es magnético. Tiene mayor volumen (mayor distancia entre átomos). Hierro γ: cristaliza entre 910 ºC ºC en la red CCF. Disuelve más carbono (hasta un 2, 11 %). Es no magnético Hierro δ: cristaliza entre 1400 ºC ºC en la red CCB. Es magnético. Muy parecido al hierro α. Poca aplicación 2.- Formas de encontrar el carbono en las aleaciones férreas Disuelto o combinado: Formando soluciones sólidas de inserción con el hierro α (ferrita = Fe α - C). La ferrita disuelve muy poca cantidad de carbono. La estructura cristalina será CCB Formando soluciones sólidas de inserción con el hierro γ (austenita = Fe γ - C). La estructura cristalina será CCF En forma de carburo de hierro (Fe 3 C = ). La tiene un 6,67% en peso de carbono (la mayor proporción de carbono que puede solubilizarse con el hierro), y es un compuesto de inserción. La estructura cristalina que se forma es del tipo ortorrómbica con 12 átomos de hierro y 4 átomos de carbono por celda. Libre: formando nódulos o láminas de grafito, cuando el porcentaje de carbono es superior al 6,67%. El grafito es una de las formas alotrópicas en las que se puede presentar el carbono (como el diamante y el grafeno). Los átomos se colocan en capas superpuestas formando hexágonos regulares. Es de color negro con brillo metálico, se exfolia con facilidad, es conductor y muy blando. 3.- Diagrama Fe-C Los aceros son aleaciones Fe-C, donde el carbono está en proporciones del 0,03 2,11 %. Son forjables. Las fundiciones son aleaciones Fe-C, donde el carbono está en proporciones del 2,11 6,67%. Son no forjables. El 6,67% C es la máxima proporción de carbono que se puede disolver. Al compuesto con este porcentaje 6,67% C, se le llama. (Fe 3 C) 1

2 Constituyentes de las aleaciones FE-C Ferrita (α): prácticamente Fe α, tiene muy poca solubilidad ya que apenas disuelve carbono (máxima solubilidad es 0,02 % C). Cristaliza en la red CCB. Es el más blando y dúctil constituyente de los aceros. Es magnético. Se emplea en la fabricación de imanes permanentes, en núcleos de inductancias y transformadores.. C Bobinado de ferrita para uso como transformador de corriente eléctrica Cementita: Fe 3 C, tiene un 6;67% de carbono. La estructura cristalina es muy compleja, es del tipo ortorrómbica con 12 átomos de hierro y 4 átomos de carbono por celda. Es el más duro y frágil constituyente de los aceros. Tiene muy poca resiliencia y no es posible utilizarla para operaciones de laminado o forja Es magnético hasta los 210ºC. La se llama primaria cuando se forma desde la fase líquida y secundaria si procede de austenita durante el enfriamiento lento. Y terciaria si se desprende de la ferrita al enfriarse por debajo de 910 ºC. Perlita: α + Fe 3 C, es la mezcla eutectoide de ferrita y (86,5% de ferrita y 13,5% de ). Tiene propiedades intermedias. A 723ºC la solución sólida austenita origina en el enfriamiento dos nuevas fases sólidas (a esto se le llama reacción eutectoide) Austenita γ Ferrita α + Fe 3 C 86,5% 13,5% perlita Austenita (γ): solución sólida de inserción de carbono en Fe γ, con un máximo porcentaje de carbono de 2,11%. Cristaliza en la red CCF Se forma con s superiores a 723ºC. Es blando, ductil, resistente, tenaz, no magnético y muy denso. La austenita no es estable a ambiente. Es blanda y dúctil y, en general, la mayoría de las operaciones de forja y laminado de aceros se efectúa a aproximadamente los 1100 ºC, cuando la fase austenítica es estable. Ledeburita: γ + Fe 3 C, es la mezcla eutectica de austenita y (52% de austenita y 48% de ). Se da con un porcentaje de carbono del 4,3 %. Es un constituyente de las fundiciones. A 1130 ºC la aleación líquida, solidifica formando un sólido con dos fases (reacción eutéctica) C Líquido Austenita γ + Fe 3 C 48 % 52% ledeburita Es estable hasta los 723ºC, descomponiéndose a partir de esta en ferrita y 2

3 b c Departamento de Tecnología. IES Nuestra Señora de la Almudena Mª Jesús Saiz Martensita: Se obtiene por enfriamiento rápido de la austenita. A velocidades de enfriamiento bajas o moderadas, los átomos de C pueden difundirse hacia afuera de la estructura austenítica. De este modo, los átomos de Fe se mueven ligeramente y se da una transformación de Fe γ en Fe α. Es una solución sólida sobresaturada de carbono en Fe α. Es el constituyente principal de los aceros templados. Tras la, es el constituyente más duro de los aceros. La martensita se presenta en forma de agujas y cristaliza en la red tetragonal Diagrama FE-C Los cambios de estado del hierro y el acero se verifican cuando los cambios de son lentos, según se representa en el diagrama hierro-carbono. a α Tª (ºC) γ γ+α α + Fe 3 C Perlita L+ γ Línea de liquidus L γ + Fe 3 C Ledeburita γ + Fe 3 C L+ Fe 3 C L = líquido γ = austenita Fe 3 C = α = ferrita Línea de solidus 300 α + Fe 3 C Hipoeutectoides 0,89 2,1 4,3 6, Hipereutectoides Hipoeutéctico Hipereutéctico % C Aceros Fundiciones - En la zona L hay una sola fase, líquida y homogénea. - En la zona L+γ hay dos fases, una de líquido y otra sólida austenita. - En la zona γ, hay una fase sólida formada por austenita. - En la zona α, hay una fase sólida formada por ferrita. - En la zona L+Fe 3 C hay dos fases, una de líquido y otra de sólido. - En la zona γ+ Fe 3 C hay un sólido formado por dos fases austenita y. - En la zona α+ Fe 3 C hay un sólido formado por dos fases ferrita y. 3

4 Si dibujamos el diagrama hierro-carbono con todos sus constituyentes, queda de la siguiente forma: Tª (ºC) Línea de liquidus 1539 austenita Líquido + austenita Liquido Fe-C Líquido + Ledeburita 1130 austenita + ferrita ferrita Perlita austenita + austenita + ledeburita + ledeburita 723 Línea de solidus ferrita + perlita + perlita + perlita + perlita Hipoeutectoides 0,89 4,3 6,67 Hipereutectoides Hipoeutéctico Hipereutéctico % C Aceros Fundiciones Dependiendo de la zona la austenita y la pueden ser primarias (proeutécticas) o secundarias (eutécticas) - En los aceros hipoeutéctoides (<0,89%C) existen varias zonas según vamos bajando la Fase sólida austenita 2 Fases sólidas donde el hierro γ se transforma progresivamente en hierro α A 723ºC toda la austenita se transforma en perlita y 2 Fases sólidas de ferrita primaria y perlita - En los aceros eutéctoides (0,89%C) existen varias zonas según vamos bajando la Fase sólida austenita A 723ºC toda la austenita se transforma en perlita - En los aceros hipereutéctoides (0,89% - 2,11%C) existen varias zonas según vamos bajando la Fase sólida austenita 2 Fases sólidas austenita y A 723ºC toda la austenita se transforma en perlita 2 Fases sólidas de perlita y - En las fundiciones hipoeutécticas (2,11% - 4,3%C) existen varias zonas según vamos bajando la 2 Fases sólidas austenita primaria y ledeburita A 723ºC toda la austenita se transforma en perlita 2 Fases sólidas de perlita y 4

5 - En las fundiciones eutécticas (4,3%C) existen varias zonas según vamos bajando la A 1130ºC se produce la transformación de la fase líquida en ledeburita. A 723ºC toda la austenita eutéctica se transforma en perlita - En las fundiciones hipereutécticas (>4,3%C)existen varias zonas según vamos bajando la 2 fases: Líquido y sólido 2 Fases sólidas ledeburita y primaria A 723ºC toda la austenita eutéctica se transforma en perlita 2 Fases sólidas de perlita y Para calcular la composición de cada una de las fases se emplea la regla de la horizontal. Y para calcular la cantidad de cada fase se emplea la regla de la palanca. 4.- Propiedades de los aceros Al disminuir el %C: dúctiles, maleables, tenaces, soldables Al aumentar el %C: resistentes, duros, frágiles. Son oxidables y corroibles. Densidad = 7,6 7,8 g/cm3 5.- Clasificación de los aceros En función del porcentaje de C: Aceros hipoeutectoides: del 0,03 0,89 %.C Aceros eutectoides: 0,89 %.C Aceros hipereutectoides: del 0,89 2,1 %.C En función de su constitución externa: Aceros perlíticos: constituidos después del enfriamiento por perlita y ferrita, o perlita y, dependiendo si el porcentaje de C es mayor o menos del eutectoide. Aceros martensíticos: formados en su mayor parte por martensita. En realidad son aceros perlíticos, cuya velocidad de temple es muy lenta. Aceros austeníticos: constituidos por austerita. Se reconocen porque no son magnéticos. Aceros ferríticos: formados por ferrita. Son aceros de bajo contenido en C. En función de su composición: Aceros al C: aleación de Fe C y bajo porcentaje de otros elementos (según las normas). Aceros aleados: aleación de Fe C e impurezas. Además llevan de forma voluntaria otros elementos que modifican sus propiedades. Aceros inoxidables: Cr, Ni. Acero galvanizado: Zn Aceros de corte (muy duros): Wf Aceros de alta dureza: Mo, Cr, Co Aceros resistentes a la fatiga: Vanadio 5

6 6.- Propiedades de las fundiciones Son aleaciones férricas con un porcentaje de C mayor del 2,11%. No son forjables. Funden a inferior a los aceros por lo que se moldean con facilidad. No son dúctiles, no maleables, sueldan con dificultad. Menor densidad = 7,2 7,68 g/cm3 Tienen tendencia a la formación de grafito (carbono libre formando láminas o nódulos). 7.- Clasificación de las fundiciones En función del porcentaje de C: Fundiciones hipoeutéctica: del 2,11 4,3 %.C Fundiciones oeutécticas : 4,3 %.C Fundiciones hipereutéctica del 4,3 6,67 %.C En función de su constitución Fundición gris: 2,5 4 % C El grafito aparece en forma de escamas o láminas dentro de la ferrita o perlita. Son frágiles y poco resistentes a la tracción, pero resistentes a compresión. Amortiguan muy bien las vibraciones. Alta resistencia al desgaste. Se utiliza en bloque de motores, tambores de freno, cilindros y pistones de motores. Fundición esferoidal: Son fundiciones grises adicionando en estado líquido pequeñas cantidades de magnesio y/o cesio. El grafito aparece de forma esferoidal. Son más resistentes y dúctiles que las grises. Tienen propiedades mecánicas similares al acero. Se suele utilizar para la fabricación de válvulas y engranajes de alta resistencia, cigüeñales y pistones Fundición blanca y maleable: Se parte de fundiciones bajas en C y con un porcentaje menor del 1% de Si, se aumenta la velocidad de enfriamiento. Se logra que la mayoría del carbono esté como y no como grafito. Muy dura y muy frágil. Muy resistente al desgaste. Aplicaciones: engranajes, cajas de diferencial. 6

7 Ejercicios: PAU A la vista del diagrama de equilibrio de fases simplificado de la aleación hierro carbono: a) Señale los nombres en cada una de las zonas A, B (eutectoide), C, D. b) Indique qué parte del diagrama corresponde a los aceros y qué parte a las fundiciones. c) Determine la proporción de cada uno de los constituyentes de una aleación con un 4,3% de carbono a 900 ºC. d) Porcentaje máximo de solubilidad de C en Fe (austenita) y a la que existe esa máxima solubilidad. e) Temperaturas de solidificación del hierro puro y de la ledeburita (eutéctico) f) Porcentaje de fases (ferrita-) que componen el eutectoide (perlita). Indique la a la que se forma el eutectoide. g) Porcentaje de hierro y de carbono del compuesto eutectico h) Cuáles son los constituyentes en los que se transforma el eutéctico al solidificar y cuál es su proporción i) Que transformación se produce cuando la desciende por debajo de 700ºC PAU Junio 2009/2010 Defina brevemente los siguientes constituyentes de los aceros: ferrita, martensita, perlita y 7