ALEACIONES Fe-C Y CARACTERISTICASINGENIERIA DE MATERIALES*Profesor: MBA Ing. Dennis Joseph Padilla Sandoval

*TRANSFORMACIONES EN ESTADO SOLIDODespus de solidificada una aleacin puede sufrir transformaciones posteriores. Se presenta en metales que tienen al menos un componente que sufre transformaciones alotrpicas con la variacin de temperatura . Los mas importantes son Fe, Co, Mn, Ti, Zr.P/E. El Fe presenta la variedad alotrpica a la temperatura ambiente (Cubo a cuerpo centrado), la entre 900 y 1400 (cubo a cara centrada) y entre 1400 y la fusin ( Cubo a cara centrada)

*TRANSFORMACIONES EN ESTADO SOLIDOA alta temperatura A y B son completamente miscibles uno en otro, dando una serie de SS homogneas . Las 2 curvas FG representan las lneas de liquidus y solidus. La linea HEI marca el comienzo de la transformacion en estado solido o y la linea HMENI el fin de la misma , por debajo de ella no existe fase .

*TRANSFORMACIONES EN ESTADO SOLIDOAleacin 1. Para concentraciones entre A y P, la solucin slida se transforma en solucin slida . Que seguir enfrindose hasta temperatura ambiente. Aleacin 2 . Para concentraciones entre P y J la SS , se transforma en SS , pero al atravesar la linea MP, que indica la disminucin de solubilidad del componente B en A, la estructura homognea de cristales , segregara una 2da. fase B. Que a temperatura ambiente disuelve una cantidad de metal A. Esta segregacion es la SS y se efectua en los bordes de grano y a veces en el interior de los mismos.Esta segregacion en el interior los granos es una carateristica de las transformaciones en fase solida que ocurren a baja temperatura, debido a la baja movilidad atomica ( deficiente difusion), que impide que migren a los bordes de grano.

*TRANSFORMACIONES EN ESTADO SOLIDOLa aleacin 3 cristaliza en forma de solucin slida , y al atravesar la lnea HE segrega cristales . Pero a la temperatura T1 habiendo todava , sin transformar , este solido remanente se transforma a temperatura constante en cristales de y yuxtapuestos y se forma una estructura denominada eutectoide.Con la disminucin de la temperatura los cristales de composicin J, segregan algo de y los de de composicin K segregan algo de . A temperatura ambiente la aleacin estar formada por cristales primarios de , rodeados por un eutectoide + de composicin P y Q.

*TRANSFORMACIONES EN ESTADO SLIDOLa aleacion 4, solidifica en primera instancia como SS , que se enfria sin sufrir alteraciones hasta llegar al punto E, donde coinciden las lineas de comienzo y fin de la solidificacion en estado solido, A esta temperatura la SS se transfrorma isotermicamente en el eutectoide + .El eutectoide difiere del constituyente eutectico. Su estructura es generalmente laminar. Las laminas del eutectoide se redisuelven y repricipitan. Es una reaccion reversible, todo el sistema avanza hacia un estado energetico minimo ( equilibrio estable ), al calentarse, las laminas se entrecortaran y globulizaran y luego coalesceran en forma globular. El estado energetico minimo es el de la fase de mayor volumen. La esfera es cuerpo de mayor volumen respecto de la superficie, De manera que tenemos estructuras eutectoides globulares en equilibrio estable.

*TRANSFORMACIONES EN ESTADO SLIDOAleacin 5 consta a temperatura ambiente de cristales , rodeados del eutectoide + cristales ,eutectoide + La aleacion 6 consta de cristales primarios con una 2da. Fase segregada Cristales primarios Fase segregada La aleacion 7 esta formada por una estructura metalografica homogenea de solucion solida Solucion solida

*TRANSFORMACIONES EN ESTADO SLIDOLas transformaciones que se producen en estado slido son similares a las que se producen partir de un liquido. Existen diferencias entre ambos tipos de reaccin debidas a la lentitud de difusin de los tomos en el estado slido y por lo tanto mayor demora en las transformaciones. Los cambios que las aleaciones pueden experimentar en estado solido pueden resumirse asi: 1.- Cambio de una forma alotrpica por otra 2.- Formacion de eutectoides 3.- Formacion de pericteitoides 4.- Cambio de solubilidad slida con el enfriamiento 5.- Recristalizacion ( sin transformacin alotrpica) 6.- Crecimiento de grano

*TRANSFORMACIONES EN ESTADO SLIDODIAGRAMA Fe -CDentro de las aleaciones cuyas transformaciones se realizan en estado slido esta la aleacin Fe-C. Dentro de estas aleaciones tenemos los aceros y las fundiciones.Comenzaremos el estudio del acero, en su versin mas simple: aceros al C.Los aceros son aleaciones Fe-C con algunos elementos e impurezas, los elementos suelen ser el Mn y el Si, y las impurezas el P y el S. A estos aceros se los llama : aceros al Carbono.Hay otros aceros que se llaman aleados y tienen agregados elementos tales como: Cr,Va,W,Ti, B, Ni, etc. que le confiere propiedades notables.

*TRANSFORMACIONES EN ESTADO SLIDODIAGRAMA Fe -CEl Carbono se encuentra generalmente en los aceros, combinado con el Fe, formando carburo de Fe, cementita, que contiene 6,67% de C y que forma un compuesto qumico definido y de propiedades diferentes a las del Fe y C su formula es CFe3 y esta formado por 3 partes de Fe y una de C.

*MICROCONSTITUYENTES DEL ACERODIAGRAMA Fe -CLos componentes que forman la aleacin Fe-C sonFerrita o Fe , es una solucin slida de C en Fe, solidifica como cubo a cuerpo centrado. Disuelve 0,02 % de C a 723 C Disuelve 0,008% de C a temp. Amb.Austenita o Fe , es una solucin slida intersticial de Carburo de Fe en Fe , solidifica como cubo a cara centrada. Disuelve 2% de C a 1145CCementita (CFe3), es un compuesto ntermetlico.La solubilidad es despreciable.

Fe Delta , disuelve 0.007% de C a 1487 C, Solidifica como Cubico a cuerpo centrado. No se usa industrialmente.

*TRANSFORMACIONES EN ESTADO SLIDODIAGRAMA Fe -CAntes de estudiar este diagrama es importante notar que no se trata de un verdadero diagrama de equilibrio, pues un verdadero equilibrio implicara que no hubiera cambio de fase con el tiempo.

Sin embargo, es un hecho que el compuesto carburo de hierro se descompondr de una manera muy lenta en hierro y carbono (grafito), lo cual requerir un perodo de tiempo muy largo a temperatura ambiente.

El carburo de hierro se dice entonces metaestable; por tanto, el diagrama hierro-carburo de hierro, aunque tcnicamente representa condiciones metaestables , puede considerarse como representante de cambios en equilibrio, bajo condiciones de calentamiento y enfriamiento relativamente lentas.

*TRANSFORMACIONES EN ESTADO SLIDODIAGRAMA Fe -C

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FORMAS ALOTRPICAS DEL HIERROEl hierro cristaliza en la variedad alfa hasta la temperatura de 768C. La red espacial a la que pertenece es la red cbica centrada en el cuerpo (BCC). La distancia entre tomos es de 2.86 . El hierro alfa no disuelve prcticamente en carbono, no llegando al 0.008% a temperatura ambiente, teniendo como punto de mxima solubilidad a T=723C (0,02%)Magntico

La variedad beta existe de 768C a 910C. Cristalogrficamente es igual a la alfa, y nicamente la distancia entre tomos es algo mayor: 2.9 a 800C y 2.905C a 900C. No Magntico

La variedad gamma se presenta de 910C a 1400C. Cristaliza en la estructura FCC. El cubo de hierro gamma tiene ms volumen que el de hierro alfa. El hierro gamma disuelve fcilmente en carbono, creciendo la solubilidad desde 0.85% a 723C hasta 1.76% a 1130C para decrecer hasta el 0.12% a 1487C. Esta variedad de Fe es amagntico.

La variedad delta se inicia a los 1400C, observndose, entonces una reduccin en el parmetro hasta 2.93, y un retorno a la estructura BCC. Su mxima solubilidad de carbono es 0.007% a 1487C. Esta variedad es poco interesante desde el punto de vista industrial. A partir de 1537C se inicia la fusin del Fe puro.

*TRANSFORMACIONES EN ESTADO SLIDODIAGRAMA Fe -CEl Fe y el C tienen solubilidad parcial.A 721C la solubilidad del C es 0,035%. A temperatura ambiente la solubilidad baja al 0,008%. Esta zona se llama solucion solida pura.

*TRANSFORMACIONES EN ESTADO SLIDODIAGRAMA Fe -C

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*TRANSFORMACIONES EN ESTADO SLIDODIAGRAMA Fe -CAnalisis del diagrama Fe C, para una composicion de 0,20% de C. Comienza desde el liquido a 1500 C, pasa la linea del liquidus y comienza su transformacion en austenita,(cubo a cara centrada) de composicion inferior al 20%. El grano solidificado de Austenita ( carburo de Fe en Fe) posee menos carburo de hierro en el nucleo que en la periferia, debido a la dificultad de difusion. Debajo de la linea AE no existe mas liquido, la austenita prosigue enfriandose hasta la linea GO, por debajo de ella sufre una transformacion en solucion solida ( ferrita)( cubo a cuerpo centrado), al seguir enfriando la austenita va ganando en C hasta que a los 721C y 0,9% de C se produce el eutectoide y toda la austenita restante se transforma en laminas paralelas de ferrita y cementita ( 87% de ferrita y 13% de cementita).

*TRANSFORMACIONES EN ESTADO SLIDODIAGRAMA Fe -CAnalisis del diagrama Fe C, para una composicion de 0,60% de C. Comienza desde el liquido a 1400 C, pasa la linea del liquidus y comienza su transformacion en austenita,(cubo a cara centrada). Debajo de la linea AE no existe mas liquido, la austenita prosigue enfriandose hasta la linea OS, por debajo de ella sufre una transformacion en solucion solida ( ferrita)( cubo a cuerpo centrado), al seguir enfriando la austenita va ganando en C hasta que a los 721C y 0,9% de C se produce el eutectoide y toda la austenita restante se transforma en laminas paralelas de ferrita y cementita ( 87% de ferrita y 13% de cementita).PerlitaFerrita

*TRANSFORMACIONES EN ESTADO SLIDODIAGRAMA Fe -C0,9 % de C, la austenita no sufre ninguna transformacion, pero al descender la temperatura a 721C , se produce la transformacion en el eutectoide perlita, laminas paralelas de ferrita y cementita.Por debajo de esa temperatura no hay austenita. Laminas de perlitaAl pulir la probeta de un eutectoide, la cementita que es un componente muy duro queda por arriba y la ferrita que es muy blando queda por debajo, y por efecto de sombreado se observa negro. Con muchos aumentos se logran distinguir la laminas.

*TRANSFORMACIONES EN ESTADO SLIDODIAGRAMA Fe -CAnalisis del diagrama Fe C, para una composicion de 1,40% de C. Comienza desde el liquido a 1400 C, pasa la linea del liquidus y comienza su transformacion en austenita,(cubo a cara centrada). Debajo de la linea AE no existe mas liquido, la austenita prosigue enfriandose hasta la linea ES, por debajo de ella sufre una transformacion en cementita (carburo de hierro, CFe3), al seguir enfriando la austenita va perdiendo C hasta que a los 721C y 0,9% de C se produce el eutectoide y toda la austenita restante se transforma en laminas paralelas de ferrita y cementita ( 87% de ferrita y 13% de cementita).A estos aumentos se puedeobservar las lminas alternadas de ferrita y cementita, algunas colonias de perlita y muy espordicamente cementitaen borde de colonias Presenta una estructura mayoritariamente compuesta por perlita. (50x).

*TRANSFORMACIONES EN ESTADO SLIDODIAGRAMA Fe -CAnalisis del diagrama Fe C, para una composicion de 1,70% de C, a 1145C es el limite de la solubilidad de la austenita en el hierro, a partir de este valor no hay solubilidad, un material con esta composicion a medida que se enfria va perdiendo carburo de Fe( cementita), hasta llegar al eutectico.Algunos autores dan como limite de solubilidad 2%. Este es el limite entre los aceros y las fundiciones

*TRANSFORMACIONES EN ESTADO SLIDODIAGRAMA Fe -CFundicion hipoeutectica de 3% de C.Cuando la aleacion pasa la linea AC se convierte en austenita ( solucion solida de carburo de hierro en hierro ) Al enfriarse comienza a precipitar austenita rodeada de liquido, asi hasta llegar a los 1145C y 4,3% de C este es el punto eutectico llamado Ledeburita y que esta formado por globulos de austenita y cementita, sigue enfriando y llega a los 700C entonces, como debajo de esa temperatura no puede haber austenita, los cristales formados se transforman en perlita, de la misma manera los cristales esfericos de austenita del eutectico se transforman en perlita, a temperatura ambiente tendremos: perlita provenientes de la austenita y del eutectico y por cementita proveniente del eutectico. La austenita a 1145 posee solamente 1,7% de C

*TRANSFORMACIONES EN ESTADO SLIDODIAGRAMA Fe -CFundicion Eutectica de 4,3% de C, el liquido se enfria hasta llegar a los 1145C donde confluyen las dos lineas del solidus ( punto C), alli en forma isotermica precipitan granos esfericos de austenita y cementita ( ledeburita), al proseguir enfriando y llegar a los 721C los granos de austenita se transforman en perlita.A temperatura ambiente tendremos perlita proveniente de la austenita de la ledeburita y cementita eutectica.

*TRANSFORMACIONES EN ESTADO SLIDODIAGRAMA Fe -CAleacion hipereutectica de 4,7% C. Al cruzar el liquido la linea PC comienza a precipitar cementita primaria ( porque proviene del liquido), rodeada de liquido hasta llegar a 1145C y 4,3% de C precipita todo el liquido residual formando el eutectico ledeburita formando globulos de austenita y cementita . Al llegar a los 721C la austenita del eutectico se transforma en perlita.A temperatura ambiente queda : cementita primaria, proveniente del liquido, cementita proveniente del eutectico y perlita.

*TRANSFORMACIONES EN ESTADO SLIDODIAGRAMA Fe -C

*TRANSFORMACIONES EN ESTADO SLIDODIAGRAMA Fe -CSi se deja enfriar muy lentamente desde el liquido a los 1535C comienza a solidificar, al continuar descendiendo la temperatura hasta 1400C alli se produce otro fenomeno y hay un desprendimiento instantaneo de calor, luego a los 898C se produce otra parada, la ultima se produce a los 750C y luego se llega a la temperatura ambiente.A las temperaturas que se producen estos fenomenos se llaman puntos criticos y se denominan Ar4, Ar3, Ar2 respectivamente ,donde Ar4 cuando el Fe pasa a Fe, es un cambio alotropico pues pasa Cubo a cuerpo centrado a cubo a cara centrada. Ar3 es cuando pasa de Fe, Fe no magnetico ( cubo a cara centrada a cubo a cuerpo centrado).Ar2 es cuando pasa de Fe no magnetico a Fe magnetico ( no hay transformacion alotropica). Ac4, Ac3, Ac2 son los puntos criticos que se producen en el calentamiento, entre uno y otros hay diferencias de 20 a 30 producidas por inercia termica.

Si los enfriamientos (refroidissement) o los calentamientos (chauffage) se producen muy lentamente esa diferencia disminuye notablemente.

*TRANSFORMACIONES EN ESTADO SLIDODIAGRAMA Fe -C

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