¡Descarga Aceros y Fundiciones y más Resúmenes en PDF de Ciencia de materiales solo en Docsity!
Aleaciones Hierro-Carbono. Aceros y Fundiciones.
4.1. Diagrama Fe-C. 4.2. Aceros y fundiciones. 4.3. Aceros inoxidables. 4.4. Curvas TTT de aceros.
El sistema de aleaciones binario más importante es el hierro-carbono. Los aceros y fundiciones son aleaciones hierro-carbono. La clasificación de las aleaciones férreas según el contenido en carbono comprende tres grandes grupos: hierro cuando contiene menos del 0.008 %en peso de C, acero cuando la aleación Fe-C tiene un contenido en C mayor del 0.008 y menor del 2.11 % en peso (aunque generalmente contienen menos del 1 %), y fundición cuando la aleación Fe- C tiene un contenido en C superior al 2.1 % (aunque generalmente contienen entre el 3.5 y el 4 % de C).
4.1. Diagrama Fe-C. Fases en el sistema Fe-Fe 3 C. En la figura 4.1 se representa el diagrama
de fases del sistema binario Fe- Fe 3 C para contenidos altos de hierro. El hierro sufre cambios estructurales con la temperatura antes de fundir. A temperatura ambiente la forma establees la ferrita o Fe- (estructura BCC). A 912 °C la ferrita sufre una transformación polimórfica a austenita o Fe- (FCC). La austenita se transforma a otra fase BCC a 1394 °C que se conoce como ferrita-, la cual funde a1538 °C. Todos estos cambios se pueden observar en el eje vertical del diagrama de fases para el hierro puro. El otro eje de la figura 4.1 sólo llega al 6.70 % en peso de C, concentración que coincide con el 100 % molar del compuesto intermedio Fe 3 C conocido como carburo de hierro o cementita. La parte entre el 6.70 % de C y el 100 % de C (grafito puro) no es importante desde el punto de vista tecnológico y no se va a estudiar.
El carbono en un soluto intersticial en el hierro y forma disoluciones sólidas con la ferrita ( y ) y con la austenita (). La ferrita tiene una estructura BCC y en los intersticios se puede situar muy poco carbono, el máximo es un 0.022 % a 727 °C. Aunque en proporción muy baja, el carbono afecta mucho a las propiedades mecánicas de la ferrita. Esta fase es relativamente blanda, ferromagnética por debajo de 768 °C, y de densidad 7.88 g/cc. La austenita (Fe-) de estructura FCC tiene una solubilidad máxima de carbono del 2.11 % a 1148 °C. Solubilidad aproximadamente 100 veces superior a la de la ferrita. Las transformaciones de fase de la austenita son muy importante en los tratamientos térmicos de los aceros como se verá más adelante. La ferrita- solose diferencia de la en el tramo de temperatura donde existe. Al ser sólo estable a altas temperaturas no tiene interés técnico.
La cementita desde el punto de vista mecánico es dura y frágil, y su presencia aumenta la resistencia de muchos aceros. Desde un punto de vista estricto, la cementita es meta estable y si se calienta entre 650 y 700 °C descompone para dar Fe- y grafito, que permanece al enfriar. Por tanto, los diagramas no son realmente de equilibrio, pero al ser la velocidad de descomposición de la cementita tan extremadamente lenta estos diagramas son los útiles.
En la figura 4.1 se puede observar regiones bifásicas y un eutéctico (CE = 4.30 % en peso de C, y TE = 1148 °C). La reacción eutéctica es:
LE (4.30 % C) ^ Fe- (2.11 % C) + Fe 3 C (6.7 % C)
En la que un líquido de composición eutéctica solidifica para dar dos fases sólidas de austenita y cementita. El posterior enfriamiento de estas fases produce transformaciones de fases adicionales. En el diagrama de fases se puede observar otro punto invariante a la temperatura de727 °C para una composición del 0.77 % de C. La reacción del eutectoide se puede representar como:
Fe- (0.77 % C) ^ Fe- (0.022 % C) + Fe 3 C (6.7 % C)
Figura 4.1. Diagrama de fases hierro-cementita
Esta transformación de fase es de una importancia vital en los tratamientos térmicos de los aceros. Como se comentó en la introducción los aceros contienen C entre el 0.008 y el 2.11 % de C, y al enfriarlas desde el campo se obtiene una microestructura que está íntimamente relacionada con las propiedades mecánicas de los aceros.
debajo de la temperatura eutéctica, toda la austenita remanente de composición eutectoide se transforma en perlita (punto i de la línea zz’). Por tanto la microestructura es perlita y cementita proeutectoide (figura 4.7).
Figura 4.2. Representación esquemática de la microestructura de un acero eutectoide (0.77%)
Figura 4.3. Microestructura perlítica de un acero eutectoide mostrando láminas alternas de ferrita- (fase clara) y cementita (fase oscura)
Figura 4.4. Representación esquemática de las microestructuras de un acero hipoeutectoide
Figura 4.5. Fotomicrografía de un acero con el 0. % C, microestructura constituida por perlita y ferrita proeutoctoide
Figura 4.6. Representación esquemática de las microestructuras de un acero hipereutectoide
Figura 4.7. Fotomicrografía de un acero con el 1. % C, microestructura constituida por perlita y cementita proeutoctoide
Figura 4.8. Fotomicrografía de un acero con microestructura de esferoidita. Las partículas pequeñas son cementita en una matriz continua de ferrita-
Figura 4.9. Fotomicrografía de un acero con microestructura martensítica. Los granos en forma de aguja es la martensita y las regiones blancas es austenita retenida
Testing and Materials” y SAE “Society of Automotive Engineers”. La designación AISI/SAE consta de cuatro cifras. Las dos primeras indican el contenido en aleantes y las dos segundas en carbono. Las dos primeras para aceros al carbono son 1 y 0 mientras que en aceros aleados puede ser por ejemplo 13, 41 o 43. Las cifras tercera y cuarta indican el contenido en carbono multiplicado por cien. Por ejemplo, el acero código AISI/SAE 1010 es un acero al carbono (sin elementos aleantes adicionales) y un 0.1 % de C.
Aceros bajos en carbono. Constituye la mayor parte de todo el acero fabricado. Contienen menos del 0.25 % en peso de C. La microestructura consiste en ferrita y perlita. Por tanto, son relativamente blandos y poco resistentes pero con extraordinaria ductilidad y tenacidad. Son de fácil mecanizado, soldables y baratos. Se utilizan para fabricar vigas, carrocerías de automóviles, y láminas para tuberías edificios y puentes. Otro grupo de aceros de bajo contenido en carbono son los de alta resistencia y baja aleación. Contienen concentraciones variables de Cu, V, Ni y Mo totalizando 10 % en peso. Poseen mucha más resistencia mecánica, que puede aumentar por tratamientotérmico y mantienen las propiedades de fácil mecanizado. Se emplean en componentes donde la resistencia mecánica es crítica: puentes, torres, columnas de soportes de edificios altos, bastidoresde camiones y vagones de tren.
Aceros medios en carbono. Contienen entre el 0.25 y 0.60 % en peso de C. Son más resistentes que los aceros bajos en carbono pero menos dúctiles y maleables. Se suelen utilizar para fabricar cinceles, martillos, cigüeñales, pernos, etc.
Aceros altos en carbono. Generalmente contienen entre el 0.60 y 1.4 % en peso de C. Son más duros y resistentes (y menos dúctiles) que los otros aceros al carbono. Se utilizan como herramientas de corte, matrices, herramientas de herrería y carpintería. Por ejemplo, cuchillos, navajas, hojas de sierra, brocas para cemento, corta tubos, troqueles, herramientas de torno, muelles e hilos e alta resistencia.
La fundición gris tiene un contenido en carbono entre 2.5 y 4.0 % y de silicio entre 1 y 3 %. El grafito suele aparecer como hojuelas dentro de una matriz de ferrita o perlita, la microestructura se observa en la figura 4.10. El nombre se debe al color de una superficie fracturada. Desde un punto de vista mecánico las fundiciones grises son comparativamente frágiles y poco resistentes a la tracción. La resistencia y la ductilidad a los esfuerzos de compresión son muy superiores. Estas fundiciones amortiguan la energía vibracional de forma mucho más efectiva que los aceros. Así los
equipos que vibran mucho se suelen construir de esta aleación. A la temperatura de colada tienen mucha fluidez por lo que permite moldear piezas de forma muy complicadas. Además, la fundición gris es uno de los materiales metálicos más baratos. Se utiliza en bloque de motores, tambores de freno, cilindros y pistones de motores.
La fundición nodular se consigue añadiendo pequeñas cantidades de magnesio y cerio a la fundición gris en estado líquido. En este caso, el grafito no se segrega como hojuelas sino que forma esferas (figura 4.11) lo que confiere a la fundición propiedades mecánicas diferentes. No es frágil y tiene propiedades mecánicas similares a las de los aceros. Presenta una mayor resistencia a la tracción que la fundición gris. Se suele utilizar para la fabricación de válvulas y engranajes de alta resistencia, cuerpos de bomba, cigüeñales y pistones.
La fundición blanca contienen poco carbono y silicio (< 1%) y se obtienen por enfriamiento rápido. La mayor parte del carbono aparece como cementita en lugar de grafito, y la superficie fracturada tiene una tonalidad blanca. La microestructura se representa en la figura 4.12. La fundición blanca es extremadamente dura frágil por lo que es inmecanizable. Su aplicación se limita a componentes de gran dureza y resistencia al desgaste y sin ductilidad como los cilindros de los trenes de laminación. Generalmente la fundición blanca se obtiene como producto de partida para fabricar la fundición maleable.
La fundición maleable se obtiene a partir de la fundición blanca por calentamiento prolongado en atmósfera inerte (para prevenir la oxidación) a temperaturas entre 800 y 900 °C. En estas condiciones la cementita descompone para dar grafito en forma de rosetas dentro de la matriz ferrítica o perlítica. La microestructura se representa en la figura 4.13. Se suele emplear en tubos de dirección y engranajes de transmisión, muelles tubulares y partes de válvulas.
4.3. Aceros inoxidables. Los aceros inoxidables resisten la corrosión (herrumbre debido al
óxido de hierro) en muchos ambientes, especialmente a la atmósfera. El cromo es el elemento más importante de la aleación con un contenido mínimo del 11 %. La resistencia a la corrosión mejora con la adición de Ni y Mo. Los aceros inoxidables se clasifican según la microestructura: martensítica, ferrítica o austenítica. La amplia gama de propiedades mecánicas y la excelenteresistencia a la corrosión hace que este tipo de acero sea muy versátil. Algunos aceros inoxidablesse utilizan en ambientes rigurosos a elevadas temperaturas debido a su resistencia a la oxidación y a la integridad mecánica en esas condiciones que pueden llegar hasta ~ 1000 °C. Turbinas de gas, generadores de vapor, hornos de tratamientos térmicos, partes de aviones, misiles, etc. son fabricadas con estos tipos de aceros inoxidables.
Mo 2.5 y Mn 2 % que se utiliza en estructuras soldadas. Son los más comunes. Los aceros inoxidables martensíticos se obtienen por recocido, templado y revenido, y las dos composiciones más comunes son: a) Fe, C 0.15 %, Cr 12.5 % y Mn 1% que se emplea por ejemplo en cañones de rifles y b) Fe, C 0.70 %, Cr 17 %, Mo 0.75 y Mn 1 % que se utiliza por ejemplo en cuchillería e instrumental quirúrgico.
