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ALEACIONES Fe-C

1. Aleaciones Fe-C

Uno de los materiales de fabricación y construcción más versátil, más adaptable y más

ampliamente usado es el acero, es decir, la aleación Fe-C. A un precio relativamente bajo, el

acero combina la resistencia y la posibilidad de ser trabajado, lo que se presta para

fabricaciones mediante muchos métodos. Además, sus propiedades pueden ser manejadas de

acuerdo a las necesidades específicas mediante tratamientos con calor, trabajo mecánico, o

mediante aleaciones. El Acero es básicamente una aleación o combinación de hierro y carbono

(alrededor de 0,05% hasta menos de un 2%). Algunas veces otros elementos de aleación

específicos tales como el Cr (Cromo) o Ni (Níquel) se agregan con propósitos determinados.

Los aceros tienen un contenido de carbono entre 0.08 y 2.1 %, mientras que las aleaciones con

contenidos de carbono entre 2.1 y 6.7 % se denominan fundiciones. Estos materiales, al

contrario que el acero, son quebradizos y no forjables. En estas aleaciones el carbono se

encuentra solución intersticial o como carburo de hierro. En las aleaciones con un contenido

de carbono mayor al 6.7 % el carbono se encuentra en forma de grafito.

2. Diagrama Fe-C

2.1. Diagramas de fases

Los diagramas de fases de aleaciones metálicas nos dan información acerca de la

microestructura de las mismas, que están relacionados con las propiedades mecánicas de

dichas aleaciones. A partir de las transformaciones de fases, que ocurren al variar la

temperatura, se originan la mayoría de microestructuras, las cuales se pueden predecir a partir

de estos diagramas.

A partir del conocimiento de la composición y temperatura de una aleación, pueden

determinarse las fases presentes, su composición y su cantidad. Además, también se puede

conocer la microestructura cristalina que poseerá. Estos diagramas de fases son en equilibrio,

por lo que se supone que los procesos térmicos (enfriamiento o calentamiento) se producen

muy lentamente, de forma que los procesos de difusión tienen el suficiente tiempo para

completarse.

En la Figura 1 se muestra el diagrama de fases de una aleación Ni-Cu (la cual corresponde a un

sistema isomórfico binario, ya que el Ni y Cu son totalmente solubles tanto en estado sólido

como líquido). Como se observa, en esta aleación coexisten tres e regiones fases: α (disolución

sólida sustitucional de estructura FCC), L (disolución líquida homogénea) y un campo bifásico

(α+L). Las líneas que delimitan estas regiones se denominan liquidus (L y α+L) y solidus (α y

α+L).

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Figura 1. Diagrama de fases del sistema isomórfico binario Ni-Cu.

Conocidas la composición de la aleación y su temperatura, podemos determinar:

- La fase en la que se encuentra la aleación.

- La composición de fases: Para las regiones monofásicas, la composición de la fase coincide

con la de la aleación. En regiones monofásicas, se determina mediante las rectas de

reparto, las cuales se trazan desde el punto correspondiente a la aleación hasta el límite de

fases, desde donde se trazan líneas verticales que corresponden con las concentraciones

de ambas fases.

- La cantidad de fases: Para regiones monofásicas, evidentemente la cantidad será del 100

%. Para regiones bifásicas se utiliza la regla de la palanca, a partir de las rectas de reparto

de cada punto.

Por otra parte, como se ha indicado anteriormente, estos diagramas también

proporcionan información acerca del desarrollo de las microestructuras durante los

cambios de fase.

Para el caso del enfriamiento de una aleación Ni-Cu 35:65 (Figura 2), se observa en primer

lugar una fase líquida homogénea (punto a), cuya estructura cambia al llegar a la línea

liquidus (punto b), donde aparece el primer sólido (con una composición del 49 % de Ni).

Al continuar el enfriamiento, las cantidades relativas y composiciones de ambas fases

cambian y la fracción α aumenta con el enfriamiento. La composición total de la aleación

(35:65) se mantiene constante durante el enfriamiento, aunque el Ni y Cu se distribuyen

entre las fases. El proceso de solidificación se completa en la línea solidus (punto d), donde

la composición de sólido es prácticamente la de la aleación, mientras que la del último

vestigio del líquido es del 23 % Ni. El posterior enfriamiento (hasta el punto e) no altera ni

la composición ni la microestructura del sólido.

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Figura 2. Evolución de la microestructura durante la solidificación en equilibrio de una aleación

Ni-Cu.

2.2. Diagrama Fe-C

En la Figura 3 se muestra el diagrama de fases Fe-C, que sólo se representa hasta un 6.7 % de

carbono, ya que por encima de este contenido el carbono se encuentra en forma de grafito.

Este diagrama corresponde a un sistema eutéctico binario, los cuales se caracterizan por tener

puntos de fusiones mínimos inferiores a los correspondientes a cada uno de los compuestos en

estado puro.

El límite de la izquierda del diagrama corresponde al Fe en sus diferentes formas alotrópicas. A

temperatura ambiente, esta fase se llama ferrita (α) y tiene estructura BCC. El carbono está

presente como soluto intersticial y su solubilidad es muy baja.

A 912 ºC, experimenta una trasformación polimórfica a austenita FCC o hierro γ. Esta fase no

es estable por debajo de 727 ºC. La solubilidad del C es mayor, debido a su estructura cristalina

y el punto de máxima solubilidad del carbono (2.1 %), marca el límite entre los aceros y las

fundiciones.

A 1394 ºC, vuelve a transformarse para en una fase BCC conocida como ferrita δ, que funde a

1538ºC. Esta fase es como la ferrita α, sólo que sólo existe a altas temperaturas.

El límite de la derecha corresponde a la aleación con un 6.7 % de C en peso, que se conoce

como cementita (Fe3C). La cementita se forma cuando se excede el límite de solubilidad del

carbono en ferrita por debajo de 727 ºC y también coexiste con la fase γ entre 727 y 1148 ºC.

La cementita es dura y frágil y si presencia aumenta considerablemente la resistencia de

algunos aceros.

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Figura 3. Diagrama de fases Fe-C.

Este diagrama contiene varios puntos invariantes:

- Punto eutéctico: 4.3 % C y 1148 ºC. En este punto, la aleación solidifica a una sola

temperatura, más baja que para aleaciones con mayor o menor contenido de C. El

enfriamiento de una aleación de este contenido de carbono implica la solidificación del

líquido para generar dos fases sólidas: austenita y cementita. La composición de estas

fases se determina mediante la recta de reparto que pasa por este punto. La

microrestrutura resultante consiste en capas alternadas (láminas) de las dos fases

formadas simultáneamente durante la transformación, que se denomina ledeburita. Por

debajo de esta composición precipitará también austenita y por encima de esa

composición, cristales de cementita.

- Punto eutectoide: 0.77 % C y 727 ºC. En este punto se da la reacción eutectoide, que

consiste en el enfriamiento de la fase sólida γ (austenita) para transformarse en otras dos

fases sólidas: hierro α y cementita. La microestrutura que se forma desde la fase sólida γ,

corresponde a una estructura en capas o láminas (análogas a la eutéctica), que en el caso

del sistema Fe-C, que se denomina perlita (Figura 4). Las aleaciones con menor contenido

en C se denominan hipoeutectoides (C entre 0.022 y 0.77 %). En el enfriamiento de estas

aleaciones se forma en primer lugar una fase α junto con la γ, y al llegar a 727 ºC toda la

fase γ se transforma en perlita según la reacción eutectoide, mientras que la fase α

permanece como matriz continua alrededor de la perlita (Figura 5). Análogamente, para

aceros hipereutectoides, su enfriamiento a partir de la fase γ implica la formación en

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primer lugar de la fase cementita, y al llegar a 727 ºC toda la austenita remanente se

transformará en perlita (Figura 6).

- Punto peritéctico: 0.18 % C y 1492 ºC. Indica la composición de austenita que puede ser

estable a más alta temperatura. En este punto, al calentar la austenita se transforma para

dar una fase sólida (hierro δ) y líquido.

Figura 4. Microestructuras de un acero eutectoide.

Figura 5. Microestructuras de un acero hipoeutectoide.

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Figura 6. Microestructuras de un acero hipereutecoide.

Por otra parte, existen varios límites de temperatura:

- 210 ºC: cambio magnético de la cementita (por encima de esta temperatura deja de ser

magnética)

- 723 ºC: límite de la perlita (existe perlita a esta temperatura y por debajo de la misma)

- 768 ºC: cambio magnético de la ferrita (por encima de esta temperatura deja de ser

magnética)

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3. Constituyentes de las aleaciones Fe-C

El sistema hierro-carbono consta de varios constituyentes, en función de su microestructura. El

desarrollo de microestructuras dependerá tanto del contenido de carbono como del

tratamiento térmico.

3.1. Ferrita α

Es la fase estable del hierro a temperatura ambiente. Tiene estructura BCC y es magnética. El

carbono está presente como soluto intersticial y su solubilidad es muy baja: a temperatura

ambiente de < 0.008 %, siendo la máxima solubilidad 0.022 %. Esta pequeña solubilidad se

explica teniendo en cuenta la forma y el tamaño de las posiciones intersticiales de la estructura

BCC, que dificultan la acomodación de los átomos de carbono. Aunque presente en muy baja

proporción, el carbono ejerce gran influencia en las propiedades mecánicas de la ferrita: es

relativamente blanda, magnética por debajo de 768 ºC y tiene una densidad de 7.88 g/cm3.

Figura 5. Microfotografía de la ferrita α

3.2. Ferrita β

La ferrita β tiene una estructura similar a la α, siendo su mayor diferencia que esta fase no es

magnética. A 768 ºC, la ferrita α pierde sus propiedades magnéticas. Esta fase no presenta

gran interés desde el punto de vista del diseño.

3.3. Austenita, Fe γ

La austenita, o fase γ del hierro, cuando está aleado con carbono, no es estable por debajo de

727 ºC. La máxima solubilidad del carbono en austenita es 2.11 % en peso a 1148 ºC. Esta

solubilidad es aproximadamente 100 veces superior que la máxima para la ferrita BCC, ya que

las posiciones intersticiales de la estructura FCC tienen la forma adecuada para que al llenarse

de átomos de carbono la deformación impuesta a los átomos de hierro vecinos sea mucho

menor. Es el constituyente de mayor densidad en los aceros. No es magnética.

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Figura 6. Microfotografía de la austenita

3.4. Ferrita δ

La ferrita δ es como la ferrita α (estructura BCC) y sólo se diferencian en el tramo de

temperaturas en el cual existen (1395-1538 ºC para la ferrita δ). Esta fase no tiene interés para

el diseño ya que sólo existe a elevadas temperaturas.

3.5. Cementita, Fe3C

Es el carburo de hierro, en forma de Fe3C. La cementita se forma cuando se excede el límite de

solubilidad del carbono en ferrita por debajo de 727 ºC y también coexiste con la austenita

entre 727 y 1148 ºC. La cementita es dura y frágil y su presencia aumenta considerablemente

la resistencia de algunos aceros. Es magnética hasta 210 ºC, temperatura a la cual pierde su

magnetismo.

Figura 7. Microfotografía de la cementita

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3.6. Perlita

La es perlita la microestructura formada por capas o láminas alternas de las dos fases (ferrita α

y cementita) durante el enfriamiento lento de un acero a temperatura eutectoide. La

microestructura, mostrada en la Figura 8, está formada por granos denominados “colonias”.

En cada colonia las capas están orientadas esencialmente en la misma dirección y esta

dirección varía de una colonia a otra. La fase clara es la ferrita, mientras que las capas más

delgadas y oscuras son la cementita, con una relación de espesores de las láminas de 8 a1,

aproximadamente. Mecánicamente la perlita tiene propiedades intermedias entre la blanda y

dúctil ferrita y la dura y quebradiza cementita.

Figura 8. Microfotografía de la perlita

Esta estructura corresponde a un enfriamiento lento de la austenita desde el punto

eutectoide. Si el enfriamiento es más brusco, la estructura es más borrosa y se denomina

perlita sorbítica (sorbita). Si la perlita laminar se calienta a una temperatura inferior a la crítica

(727 ºC) durante un periodo largo, la cementita adopta la forma de glóbulos incrustados en la

masa de ferrita y se llama perlita globular o esferoiditita. Esta transformación tiene lugar

mediante difusión del carbono sin cambiar la composición o las cantidades relativas de fases

ferrita y cementita.

Figura 9. Microfotografía de la perlita globular o esferoiditita

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3.7. Martensita

El enfriamiento rápido, hasta temperatura próxima a la ambiental de la austenita origina otro

microconstituyente denominado martensita, que resulta como una estructura de no equilibrio

de la transformación sin difusión de la austenita. La transformación martensítica tiene lugar a

velocidades de enfriamiento muy rápidas que dificultan la difusión del carbono. Si hubiera

difusión se formarían las fases ferrita y cementita. Los granos de martensita, como se indica en

la Figura 10, tienen la apariencia de láminas o de agujas. La fase blanca es austenita (austenita

retenida) que no se transforma durante el enfriamiento rápido.

Figura 10. Microfotografía de la martensita

3.8. Troostita

Es un agregado muy fino de cementita y ferrita, que se produce por un enfriamiento rápido de

la austenita hasta temperaturas comprendidas entre 500 y 600 ºC y manteniéndola a esa

temperatura hasta la transformación total. La troostita se representa en forma de nódulos

compuestos de laminillas radiales de cementita sobre ferrita, parecidas a las de la perlita, pero

más finas. Sus propiedades físicas son intermedias entre la martensita y la sorbita.

3.9. Sorbita

Es también un agregado fino de cementita y ferrita. Se obtiene por un enfriamiento rápido de

la austenita hasta temperaturas comprendidas entre 600 y 650 ºC y manteniéndola a esa

temperatura hasta la transformación total. Tanto la trostita como la sorbita pueden

considerarse como perlita de grano muy fino.

3.10. Bainita

Es el constituyente que se obtiene por un enfriamiento rápido de la austenita hasta

temperaturas entre 250ºC y 500°C, manteniéndola a esa temperatura hasta la transformación

total. La microestructura bainítica consta de las fases ferrita y cementita y en su formación

intervienen procesos de difusión. Se diferencias dos tipos de estructuras en función de la

temperatura:

- Bainita superior de aspecto arborescente formada a 500ºC-580ºC.

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- Bainita inferior, formada a 250ºC-400ºC tiene un aspecto acicular similar a la

martensita y constituida por partículas alargadas de cementita dentro de una matriz

de ferrita. Figura 11.

La bainita tiene una dureza comprendida entre las correspondientes a la perlita y a la

martensita.

Figura 11. Estructura de la bainita inferior mediante micrografía electrónica de réplica. La fase

que rodea a la aguja bainítica es la martensita.

3.11. Ledeburita

La ledeburita es la mezcla eutéctica de austenita y cementita, obtenida al enfriar muy

lentamente el líquido de un contenido de carbono de 4.3 % desde 1148 ºC. Está formada por

52% de cementita y 48% de austenita de 2% C. Se forma una microestructura en láminas de

austenita y cementita, similar a la de la perlita. La ledeburita no existe a temperatura ambiente

en las fundiciones ordinarias debido a que en el enfriamiento se transforma en cementita y

perlita.

3.12. Steadita

Es un componente de naturaleza eutéctica, que aparece en las fundiciones de más de 0.15 %

en fósforo. Es muy dura y frágil, funde a 960 ºC. Está formada por eutéctico de ferrita y fosfuro

de hierro (fundiciones grises) o eutéctico de fosfuro de hierro y cementita (fundiciones

atruchadas).

3.13. Grafito

Es uno de los tres estados alotrópicos del carbono libre en la naturaleza. Es blando, untuoso o

de color gris. Se presenta en forma de láminas en las fundiciones grises, en forma de nódulos

en las fundiciones maleables y en forma esferoidal en algunas fundiciones especiales. El grafito

baja la dureza, la resistencia mecánica, elasticidad y plastificad de las fundiciones que lo

contienen, pero mejora la resistencia al desgaste y a la corrosión.

En las aleaciones Fe-Fe3C calentadas de forma prolongada a temperaturas superiores a las

críticas, precipita el C en forma de grafito.