TEMA 3: ALEACIONES Fe-C, PROPIEDADES Y CLASIFICACIÓN

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TEMA 3: ALEACIONES Fe-C, PROPIEDADES Y CLASIFICACIÓN

1.- Estados alotrópicos del Hierro (Fe)

Según las condiciones de temperatura, el hierro puede presentar diferentes estados, con mayor o menor capacidad para disolver el carbono.

Hierro α: cristaliza hasta una temperatura 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- 1400 ºC en la red CCF. Disuelve más carbono (hasta un 2, 11 %). Es no magnético

Hierro δ: cristaliza entre 1400 ºC- 1539 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. Laestructura cristalinaseráCCB

Formando soluciones sólidas de inserción con el hierro γ (austenita =

Fe γ - C).

Laestructura cristalinaseráCCF

En forma de carburo de hierro (

Fe

3

C

= cementita). La cementita 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. Laestructura cristalinaque 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.

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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. .

Cementita: Fe3C, 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 cementita 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 cementita (86,5% de ferrita y 13,5%

de cementita). 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

+ cementita

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 temperaturas

superiores a 723ºC. Es blando, ductil, resistente, tenaz, no magnético y muy denso.

La austenita no es estable a temperatura 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 cementita (52% de austenita y

48% de cementita). 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)

Líquido

Austenita

γ

+ cementita

Fe

3

C

48 % 52%

ledeburita

Es estable hasta los 723ºC, descomponiéndose a partir de esta temperatura en ferrita y cementita

Bobinado de ferrita para uso como transformador de corriente eléctrica C

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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 cementita, 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 temperatura son lentos, según se representa en el diagrama hierro-carbono.

- 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+Fe3C hay dos fases, una de líquido y otra de sólido cementita.

- En la zona γ+ Fe3C hay un sólido formado por dos fases austenita y cementita.

- En la zona α+ Fe3C hay un sólido formado por dos fases ferrita y cementita. Fundiciones

Hipoeutéctico Hipereutéctico Hipo-

eutectoides Hipereutectoides

Aceros

0,89 2,1 4,3 6,67

1 2 3 4 5 6 7

700

900 1100

1300

1500

300

L = líquido γ = austenita Fe3C = cementita

α = ferrita

Línea de liquidus

Línea de solidus

a

b

c

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Fundiciones

Hipoeutéctico Hipereutéctico Hipo-

eutectoides Hipereutectoides

Aceros Liquido Fe-C austenita + ferrita´ ferrita

Tª (ºC)

1130

723 % C

Líquido + cementita

Líquido + austenita austenita

0,89

4,3 6,67

723

910 1539

cementita + ledeburita austenita + ledeburita

Ledeburita austenita + cementita ferrita´+ perlita Perlita cementita + perlita

cementita + perlita cementita + perlita

Línea de liquidus

Línea de solidus

Si dibujamos el diagrama hierro-carbono con todos sus constituyentes, queda de la siguiente forma:

Dependiendo de la zona la austenita y la cementita pueden ser primarias (proeutécticas) o secundarias (eutécticas)

- En los aceros hipoeutéctoides (<0,89%C) existen varias zonas según vamos bajando la temperatura

 Fase líquida

 2 fases: Líquido y sólido austenita

 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 cementita

 2 Fases sólidas de ferrita primaria y perlita

- En los aceros eutéctoides (0,89%C) existen varias zonas según vamos bajando la temperatura

 Fase líquida

 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 temperatura

 Fase líquida

 2 Fases sólidas austenita y cementita

 2 Fases sólidas de perlita y cementita

- En las fundiciones hipoeutécticas (2,11% - 4,3%C) existen varias zonas según vamos bajando la temperatura

 Fase líquida

 2 Fases sólidas austenita primaria y ledeburita

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- En las fundiciones eutécticas (4,3%C) existen varias zonas según vamos bajando la temperatura

 Fase líquida

 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 temperatura

 Fase líquida

 2 fases: Líquido y sólido cementita

 2 Fases sólidas ledeburita y cementita primaria

 A 723ºC toda la austenita eutéctica se transforma en perlita

 2 Fases sólidas de perlita y cementita

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 cementita, 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:

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 cementita y no como grafito.

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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 temperatura a la que existe esa máxima solubilidad.

e) Temperaturas de solidificación del hierro puro y de la ledeburita (eutéctico)

f) Porcentaje de fases (ferrita-cementita) que componen el eutectoide (perlita). Indique la temperatura 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 temperatura desciende por debajo de 700ºC

 PAU Junio 2009/2010