2. Diagrama de aleación hierro-carbono


Imagen 22. isftic. Creative Commons

El diagrama de aleación hierro-carbono es un tipo de diagrama de equilibrio que nos permite conocer el tipo de acero que se va a conseguir en función de la temperatura y la concentración de carbono que tenga presente.

Antes de pasar a estudiar que es un diagrama de de equilibrio y el diagrama hierro-carbono en particular, es imprescindible que tengas claros unos cuantos conceptos:

  • Estado de agreación: Cada una de las tres formas en que se puede presentar la materia. Los estados de agregación son tres: sólido, líquido y gaseoso.
  • Fase: Cada una de las partes macroscópicas de composición química y propiedades físicas homogéneas que forman un sistema.
  • Sistemas homogéneos: Sistemas formados por una única fase (monofásicos).
  • Sistemas heterogéneos: Están formados por varias fases.
  • Mezcla: Porción de materia formada por dos o más sustancias diferentes.

Puede parecer que fase y estado de agregación de la materia son sinónimos, sin embargo no lo son. Por ejemplo, el grafito y el diamante son dos formas alotrópicas del carbono; son, por lo tanto, fases distintas, sin embargo ambas pertenecen al mismo estado de agregación (sólido).

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Un diagrama de equilibrio de una mezcla es un gráfico que representa las diferentes fases y estados de agregación en que van a presentarse los componentes de un sistema en función de la temperatura y de la concentración de cada uno de los componentes de la mezcla.

En el caso del diagrama de aleación hierro-carbono se trata de un diagrama de equilibrio en el que se representa el comportamiento de la aleación de hierro y carbono en función del porcentaje de carbono contenido en la mezcla y de la temperatura.



Imagen 23. Wikipedia. Creative Commons
Hay que tener en cuenta que en una mezcla de acero es posible encontrar los siguientes estados y formas alotrópicas:
  • Acero líquido: Mezcla de hierro y carbono a muy alta temperatura, la mezcla está en fase líquida y es homogénea.
  • Ferrita o hierro (alfa): Sistema cúbico, imanes permanentes.
  • Hierro (beta): Similar al alfa pero no es magnético.
  • Austenita o hierro (gamma): Sistema cúbico centrado en las caras.
  • Hierro (delta): Red cúbica centrada en el cuerpo.
  • Cementita (Fe3C): Sólido formado por el exceso de carbono en la mezcla (la cantidad que está en exceso sobre la solubilidad y que no puede ser disuelta en la mezcla). Es una sustancia dura y fragil que no puede ser laminada ni forjada.
Estas formas alotrópicas tienen diferentes propiedades y el acero adoptará unas u otras en función de cual sea la composición y la temperatura de la mezcla. En función de la utilización que se quiera hacer del producto resultante habrá que conseguir que la forma o las formas alotrópicas producidas sean unas u otras. Esa información se encuentra en el diagrama hierro-carbono.

La posición de un una mezcla de acero en el diagrama de hierro-carbono queda definida por su temperatura y el tanto por ciento en masa de carbono que tiene la mezcla. La temperatura se representa en el eje vertical (ordenadas), el porcentaje de carbono se representa en el eje horizontal (abcisas). El eje horizontal que representa la cantidad de carbón en la mezcla toma valores crecientes hasta el 6,67%.

El diagrama hierro-carbono tiene la forma:

Imagen 24. esiu. Copyright

Como se puede observar es un diagrama complejo en el que pueden distinguirse muchas zonas, vamos a explicar las más importantes. En primer lugar vamos a colorear cuatro sectores.

Imagen 25. Recursos propios, modificación de la imagen 24.

Las cuatro zonas coloreadas representas las únicas cuatro zonas en las que el acero obtenido está formado por una única fase.

  • Dentro de la zona verde el acero está en estado líquido.
  • Cuando un acero está dentro de zona amarilla nos encontremos con una sustancia sólida formada exclusivamente por austenita.
  • La pequeña zona azul correspondiente a aceros con un muy bajo contenido en C y temperatuas en torno a los 1400ºC se corresponde con una única fase sólida de acero .
  • La pequeña zona naranja también con bajo contenido en C pero a temperaturas menores (en torno a los 700ºC) se encuentra en fase sólida y está formada por ferrita.
En el resto de las zonas tendremos una mezcla entre las fases indicadas en el gráfico. Sería posible calcular para una composición y una temperatura determinada el porcentaje de cada una de las fases presente en la mezcla, esto es algo que se escapa a los objetivos del curso.

Dentro del gráfico destacan por su importancia una serie de puntos que aparecen dibujados en rojo en la siguiente imagen::

 

Imagen 26. Recursos propios, modificación de la imagen 24.
  • “A” Representa el punto de fusión del hierro puro se produce a 1539ºC
  • “C” Eutéctico para una concentración de 4,3% de carbono y a 1130ºC. Por debajo de esa temperatura es imposible encontrar ninguna aleación en estado líquido, es el punto en que se produce el cambio de estado para una única temperatura, formándose el constituyente ledeburita, característica del eutéctico.
  • “S” Eutectoide para una concentración de 0,89% de carbono y a 723ºC. Por debajo de esta temperatura es imposible encontrar austenita como microconstituyente de los aceros, en ese punto se forma el constituyente del eutectoide, que es la perlita.
  • Por encima de la línea de liquidus (A-C-D) la aleación solo se encuentra en estado líquido.
  • Por debajo de la línea de solidus (A-E-C-F) la aleación solo se encuentra en estado sólido.
  • Entre las líneas de liquidus y solidus la aleación se encuentra en una zona bifásica donde coexisten la fase líquida y la fase sólida, aunque con microconstituyentes diferentes (lquido y austerita, a la izquierda del diagrama A-C-E) y (líquido y cementita la derecha del diagrama D-C-F).
Por otro lado y según el contenido de carbono el diagrama hierro-carbono se divide en dos partes: aleaciones con menos del 1,76 % de carbono que corresponde a los aceros, y con más de un 1,76 % de carbono, de las fundiciones.

Los aceros con un contenido en carbono inferior al 0,89% se llaman aceros hipoeutectoides, y los que contienen entre un 0,89 y un 1,76% de carbono se llaman aceros hipereutectoides.

De igual forma las fundiciones hipoeutécticas son las que tiene un contenido de carbono entre 1,76 y 4,3%, mientras que se llaman hipereutécticas a las fundiciones que tienen entre un 4,3 y un 6,67% de carbono.

Debido al elevado porcentaje de carbono que poseen las aleaciones, éstas son muy duras y frágiles, por lo que son difíciles de mecanizar, se suelen emplear para obtener piezas por moldeo, las características de las fundiciones dependen tanto de su composición en carbono como del proceso de fabricación. Pueden ser, ordinarias, aleadas y especiales. Se fabrican de fundición las bancadas de las máquinas, las carcasas de los motores,…

 

 

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Por debajo de que temperatura es imposible encontrar una aleación que contenga acero en fase líquida:
       
1030 ºC
1130 ºC
1230 ºC
El acero es un sólido, no puede estar en fase líquida.

Las fundiciones hipoeutécticas son las que:
  
No contienen una cantidad significativa de carbono.
El contenido en C es superior al 1,76%
El contenido en C es superior al 1,76% e inferior al 4,3%
El contenido en C es inferior al 4,3%

Una aleación de hierro y carbono con un contenido de C del 3,5% a una temperatura de 1200ºC, será:
       
- Acero líquido.
- Una mezcla de acero líquido y austenita
- Una mezcla de austenita y cementita
- Una mezcla de cementita y acero líquido