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19. ALEACIONES FÉRREAS
19-1
TEMA 19. ALEACIONES FÉRREAS
19.1. Fases alotrópicas del hierro.
19.2. Diagrama hierro-carbono.
19.3. Transformaciones de la austenita.
19.4. Temple y templabilidad.
19.5. El revenido.
19.6. Otros tratamientos térmicos.
19.7. Tratamientos superficiales del acero.
19.8 Clasificación de los aceros.
19.9. Aceros inoxidables.
a. Fases alotrópicas del hierro
A presión atmosférica
19.1 FASES ALOTRÓPICAS DEL HIERRO
19-2
Fase T < 912 ºC BCC Ferromagnética (T < 770 ºC)
Fase 912 < T < 1394 ºC FCC No ferromagnética
Fase 1394 < T < 1538 ºC BCC No ferromagnética
La fase es más compacta que la . Al producirse la
transformación , el hierro se contrae.
La transformación va acompañada de una dilatación de la
pieza.
A presiones muy elevadas, aparece una nueva fase alotrópica ε
(hexagonal). Puede conseguirse a la presión atmosférica si se
añade al Fe una importante cantidad de Mn.
b. Características de las principales fases alotrópicas del hierro
El tamaño relativo de los huecos en las fases y es muy
importante a la hora de explicar el comportamiento del C en los
aceros.
Red FCC: 8 huecos tetraédricos y 4 huecos octaédricos.
Red BCC:12 huecos tetraédricos y 6 huecos octaédricos.
19.1 FASES ALOTRÓPICAS DEL HIERRO
19-3
Valores a 912ºC () Fase Fase
Parámetro de red, a 0.2906 nm 0.3647 nm
Radio atómico, r 0.1258 nm 0.1289 nm
Tamaño de los huecos
octaédricos 0.019 nm 0.053 nm
Tamaño de los huecos
tetraédricos 0.036 nm 0.029 nm
Huecos en la red cúbica
centrada en las caras
19.1 FASES ALOTRÓPICAS DEL HIERRO
19-4
Huecos en la red cúbica
centrada en el cuerpo
Átomo de Fe Átomo de Fe
Hueco octaédrico Hueco tetraédrico
Átomo de Fe Átomo de Fe
Hueco octaédrico Hueco tetraédrico
Huecos de mayor tamaño: los octaédricos de la fase , FCC.
El diámetro atómico del carbono (0.07 nm), es mayor que el
de cualquiera de los huecos de la red del hierro.
El carbono se disolverá en cierta proporción en la fase , colocándose en sus huecos octaédricos.
El tamaño de los huecos de la fase es mucho menor que el
del carbono habrá muy poca solubilidad del C en .
Dentro de la red BCC de la fase , el carbono se sitúa en los
huecos octaédricos, porque la distorsión total es menor.
19.1 FASES ALOTRÓPICAS DEL HIERRO
19-5
a. El diagrama Fe-C.
Si una aleación Fe-C evoluciona hasta su estructura de máximo
equilibrio a temperatura ambiente, el Fe y el C forman cristales
por separado: Fe- y grafito.
En la mayoría de los casos el C reacciona con el Fe para formar
cementita (Fe3C) no se forma grafito.
Propiedades de la cementita:
Compuesto en el que el 25% de los átomos son de C.
Porcentaje de C, en peso: 6,67%.
Red ortorrómbica.
Ferromagnética hasta los 218ºC.
Muy dura (68-70 HRC) y frágil.
19.2 DIAGRAMA HIERRO-CARBONO
19-6
19.2 DIAGRAMA HIERRO-CARBONO
19-7
El verdadero diagrama Fe-C de equilibrio sería el diagrama Fe-
grafito. En la práctica se utiliza el diagrama hierro-cementita.
Porcentaje en peso de carbono
Porcentaje atómico de carbono
Te
mp
era
tura
, ºC
Las fases (Ferrita), (Austenita), y (Ferrita ) son soluciones
sólidas intersticiales de C en Fe.
Máxima solubilidad del C en la ferrita a 727ºC: 0,022%.
La solubilidad en la austenita es mucho mayor. A 727ºC es de
un 0,76%, llegando hasta un 2,14% a 1147ºC.
b. Reacciones del diagrama Fe-C.
Reacción peritéctica a 1493ºC:
Ferrita (0,09%C) + líquido (0,53%C) Austenita (0,16%C)
Reacción eutéctica a 1147ºC:
Líquido (4,3%C) Austenita (2,14%C) + Cementita (6,67%C)
Reacción eutectoide a 727ºC:
Austenita (0,76%C) Ferrita (0,022%C) + Cementita (6,67%C)
19-8
19.2 DIAGRAMA HIERRO-CARBONO
Constituyente producto de la reacción eutéctica: ledeburita
(formada por austenita y cementita).
Constituyente eutectoide, mezcla de ferrita y cementita: perlita.
Generalmente la perlita forma granos con una estructura interna
de láminas alternas de ferrita y cementita.
19.2 DIAGRAMA HIERRO-CARBONO
19-9
Estructura laminar de la
perlita (MEB)
c. Regiones del diagrama Fe-C.
Dos tipos básicos de aleaciones :
Aceros Entre el 0% y 2,1% de C.
Fundiciones Entre el 2,1% y 6,67% de C.
c.1. Aceros.
Son aleaciones para forja.
La forja se hace a temperatura elevada Tf muy alta.
Los aceros, a temperatura elevada, tienen red FCC (la de
mayor plasticidad).
19.2 DIAGRAMA HIERRO-CARBONO
19-10
19.2 DIAGRAMA HIERRO-CARBONO
19-11
Aceros hipoeutectoides: C
entre 0 y 0,76% de C.
Mayoritariamente utilizados
por la industria.
Aceros eutectoides: C en
torno a 0,76% de C.
Aceros hipereutectoides:
C entre 0,76% y 2,14%.
Tem
pera
tura
, ºC
Porcentaje en peso de carbono
Austenita, Fe-
Austenita +
Cementita
Cementita +
Perlita
Ferrita +
Perlita
Austenita +
FerritaA1A1
Acm
A3
Ferrita, Fe-
c.2. Fundiciones.
Destinadas a fabricar piezas por moldeo.
Es preferible que la temperatura de fusión sea baja, y que el
margen de solidificación sea pequeño zona de la
eutéctica.
19.2 DIAGRAMA HIERRO-CARBONO
19-12
Hay fundiciones
hipoeutécticas (entre el
2,14% y el 4,3% de C),
eutécticas e hipereutécticas
(más de un 4,3% de C)
Porcentaje en peso de carbono
Porcentaje atómico de carbono
Te
mp
era
tura
, ºC
d. Puntos críticos del diagrama Fe-C.
Para los aceros, se definen: punto crítico inferior A1, punto
crítico superior A3 y punto crítico superior Acm
19.2 DIAGRAMA HIERRO-CARBONO
19-13
Tem
pera
tura
, ºC
Porcentaje en peso de carbono
Austenita, Fe-
Austenita +
Cementita
Cementita +
Perlita
Ferrita +
Perlita
Austenita +
FerritaA1A1
Acm
A3
Ferrita, Fe-
En la práctica industrial, los
puntos críticos varían según
la velocidad de calentamiento
o enfriamiento.
En calentamiento (Ac1, Ac3
y Accm) son mayores que los
de equilibrio.
En enfriamiento (Ar1, Ar3 y
Arcm), son menores que los
de equilibrio.
e. Microestructura de los aceros.
A temperatura ambiente los aceros hipoeutectoides estarán
constituidos por una mezcla de granos de ferrita y perlita.
Evolución de la microestructura de equilibrio de un acero
hipoeutectoide al enfriar desde la fase austenítica hasta una
temperatura por debajo de la temperatura eutectoide.
A mayor cantidad de carbono, más perlita mayor dureza,
límite elástico y resistencia a tracción, aunque menos
plasticidad y tenacidad.
Microestructura de los aceros eutectoides: granos de perlita
son más duros pero menos dúctiles que los hipoeutectoides.
Aceros hipereutectoides: granos de cementita y de perlita
son los aceros de mayor dureza pero también mayor fragilidad.
19.2 DIAGRAMA HIERRO-CARBONO
19-14
Microestructura de equilibrio a temperatura ambiente de dos aceros con
distinta cantidad de carbono (constituyentes: ferrita + perlita).
19.2 DIAGRAMA HIERRO-CARBONO
19-15
Ensayo dilatométrico de un acero.
Permite determinar los puntos críticos a partir de las
contracciones y dilataciones que experimenta una probeta.
Partiendo de una estructura de equilibrio a temperatura
ambiente, se calienta una probeta a una velocidad determinada.
Ejemplo para un acero hipoeutectoide:
19.2 DIAGRAMA HIERRO-CARBONO
19-16
a. Tratamiento de austenización.
Para austenizar completamente un acero hay que:
Calentar la aleación a una temperatura mayor que Ac3 si el
acero es hipoeutectoide, o de Acm si es hipereutectoide.
Mantener el acero a esa temperatura el tiempo suficiente
para que se produzca la transformación.
Debe elegirse una temperatura de austenización adecuada:
Un poco por encima del punto crítico, pero no demasiado
alta.
En los aceros hipoeutectoides la temperatura de austenización
suele estar entre 30 y 80ºC por encima de Ac3.
La estructura austenítica se transformará durante el enfriamiento
en otras fases, según sea la velocidad de enfriamiento.
19.3 TRANSFORMACIONES DE LA AUSTENITA
19-17
b. La transformación martensítica.
Enfriamiento muy lento la austenita se irá transformando en los
constituyentes según el diagrama de equilibrio Fe-C.
Si se aplica una gran velocidad de enfriamiento, no se podrán
realizar las transformaciones del diagrama, ya que todas ellas son
de tipo térmico la austenita recurrirá a una transformación
de tipo atérmico.
La austenita va a transformarse en otra fase: martensita.
Características de la martensita:
Red tetragonal centrada en el cuerpo.
Se forma por deslizamiento de planos y maclado en la red
austenítica.
Forma de agujas.
19.3 TRANSFORMACIONES DE LA AUSTENITA
19-18
La transformación de la austenita en martensita produce un
gran aumento de volumen, tanto mayor cuanto más porcentaje
en carbono tenga el acero.
19.3 TRANSFORMACIONES DE LA AUSTENITA
19-19
La martensita se desarrolla
como manojos de placas o
láminas muy alargadas
dentro de la austenita, según
determinados planos y
direcciones de los granos de
austenita.
La martensita es una fase muy dura debido a:
La fuerte distorsión de la red.
Una cantidad de dislocaciones muy alta.
A mayor cantidad de carbono, mayor será la distorsión de la
red de la martensita Mayor dureza de la martensita.
La presencia de otros aleantes no afecta prácticamente nada a la
dureza de la martensita.
Puede considerarse que la dureza de la martensita depende casi
exclusivamente del contenido en carbono.
El acero con estructura martensítica presentará los mayores
valores posibles de dureza, límite elástico y resistencia a tracción,
junto a muy baja plasticidad y tenacidad.
19.3 TRANSFORMACIONES DE LA AUSTENITA
19-20
Características de la transformación martensítica.
Es de tipo atérmico no influye el tiempo.
Para que avance la transformación hay que ir disminuyendo
continuamente la temperatura del acero.
19.3 TRANSFORMACIONES DE LA AUSTENITA
19-21
MS: Temperatura de comienzo
de la transformación
martensítica.
Mf: Temperatura a la que
finaliza la transformación
martensítica.
MX: Temperatura a la que se ha
producido la formación de un X%.
% d
e m
art
en
sita
Temperatura, T
Mf Ms
19.3 TRANSFORMACIONES DE LA AUSTENITA
19-22
Si la temperatura de enfriamiento está por encima de la Mf,
queda “austenita retenida”.
Es habitual que Mf esté por debajo de la temperatura ambiente.
Los valores de MS y Mf dependen de la composición del
acero.
A mayor cantidad de carbono, más bajas son esas
temperaturas.
La presencia de elementos aleantes las hacen descender
en la mayoría de los casos.
c. La transformación bainítica
Transformación bainítica de tipo térmico, pero no se
alcanzan las condiciones para que se nucleen las fases de
equilibrio (baja capacidad de difusión atómica).
Las bainitas son constituyentes con una estructura interna no
homogénea: matriz de ferrita y un disperso de cementita.
Forma generalmente acicular, creciendo según determinados
planos y direcciones de los cristales de austenita.
La microestructura de las bainitas depende de las posibilidades
de difusión del carbono dentro de la austenita y, por tanto, de la
temperatura a la que se forman.
Las propiedades mecánicas de la estructura bainítica son
intermedias entre las de una estructura ferrítico-perlítica y las de
la martensita.
19.3 TRANSFORMACIONES DE LA AUSTENITA
19-23
19.3 TRANSFORMACIONES DE LA AUSTENITA
19-24
Bainitas superiores.
Se forman a temperaturas
elevadas, aunque inferiores a las
de la transformación ferrítico-
perlítica.
El carbono tiene cierta movilidad.
Microestructura formas
aciculares de ferrita con
formación de precipitados de
cementita en los bordes de las
agujas.
Bainitas inferiores
Se desarrollan a temperaturas más bajas, pero superiores a MS.
Su forma es también acicular.
Escasas posibilidades de difusión del carbono los
precipitados de cementita se encuentras finamente dispersos
por el interior de las agujas de ferrita mayores niveles de
dureza y resistencia
19.3 TRANSFORMACIONES DE LA AUSTENITA
19-25
d. Diagramas temperatura-tiempo-transformación. Curvas TTT
del acero.
Diagramas de transformación isotérmica: indican la
evolución de la descomposición de la austenita, a T constante,
en función del tiempo de permanencia a la misma. Son los
diagramas TTT más usuales.
Diagramas de enfriamiento continuo: muestran el proceso
de descomposición de la austenita, al ir bajando la
temperatura con distintas velocidades de enfriamiento.
En ambos diagramas aparecen varias curvas, correspondientes
porcentajes crecientes de austenita transformada:
En la región superior de los diagramas aparece la
transformación ferrítico-perlítica. En la zona intermedia, la
reacción bainítica. En la zona inferior aparece la
transformación martensítica.
19.3 TRANSFORMACIONES DE LA AUSTENITA
19-26
19.3 TRANSFORMACIONES DE LA AUSTENITA
19-27
Diagrama TTT de
transformación
isotérmica
Diagrama TTT de
enfriamiento continuo. Las
líneas V1, V2, V3, y V4
corresponden a diferentes
velocidades de enfriamiento
Zona perlítica
Zona bainítica
Tiempo, t
Te
mp
era
tura
, T (ºC
)
V1 V2
V3 V4
Tiempo, t
Te
mp
era
tura
, T (ºC
)
Zona bainítica
Zona perlítica
e. Influencia de los elementos de aleación sobre las
transformaciones de la austenita.
La adición de ciertos elementos de aleación modifica tanto el
diagrama Fe-C como los diagramas TTT.
Desde el punto de vista de su acción sobre las
transformaciones, pueden dividirse en dos grupos:
Elementos gammágenos: Ni, Mn, Cu, N. Estabilizan la
austenita.
Elementos alfágenos: Cr, Mo, V, W, Nb, Al, Si, Ta.
Estabilizan la ferrita.
19.3 TRANSFORMACIONES DE LA AUSTENITA
19-28
e.1. Acción de los aleantes sobre el diagrama Fe-C.
Los elementos gammágenos:
Bajan las temperaturas A1 y A3.
Disminuyen el porcentaje de carbono del eutectoide.
Los elementos alfágenos:
Suben, con alguna excepción, las temperaturas críticas A1 y A3.
Disminuyen el porcentaje de carbono del eutectoide.
Son elementos formadores de carburos.
Todos ellos, disueltos en la ferrita, la endurecen, mejorando el
límite elástico y la resistencia del acero.
19.3 TRANSFORMACIONES DE LA AUSTENITA
19-29
e.2. Acción de los aleantes sobre los diagramas TTT.
Los elementos gammágenos:
Retrasan hacia tiempos mayores las transformaciones
perlítica y bainítica de forma similar.
Rebajan las temperaturas MS y Mf de la reacción
martensítica.
Desplazan a temperaturas más bajas las transformaciones
perlítica y bainítica.
El C tiene una influencia similar sobre las curvas TTT.
19.3 TRANSFORMACIONES DE LA AUSTENITA
19-30
Los elementos alfágenos:
Desplazan a mayores temperaturas la reacción perlítica, y a
menores la bainítica
Retrasan bastante en el tiempo la transformación perlítica
pero poco la bainítica.
Todo ello hace que aparezcan claramente separadas ambas
reacciones, con la bainítica más adelantada en el tiempo.
Desplazan a más bajas temperaturas las MS y Mf de la
martensita.
El boro, que no pertenece a ninguno de los dos tipos de aleantes,
retrasa mucho las transformaciones perlítica y bainítica.
19.3 TRANSFORMACIONES DE LA AUSTENITA
19-31
19.3 TRANSFORMACIONES DE LA AUSTENITA
19-32
Acción de los elementos aleantes sobre la posición de las curvas TTT
Te
mp
era
tura
, T (ºC
)
Diagrama TTT isotermo
Tiempo, t (segundos)
Dure
za H
RC
Te
mp
era
tura
, T (ºC
)
Tiempo, t (segundos)
Diagrama TTT isotermo
Dure
za H
RC
Influencia del tamaño de grano austenítico en los
diagramas TTT.
Tanto la transformación ferrítico-perlítica como la bainítica
(transformaciones térmicas) comienzan a nuclearse
preferentemente en los bordes de los granos de
austenita.
Un tamaño pequeño de los granos de austenita permite
una nucleación más rápida de las nuevas fases y las curvas
de los diagramas TTT se desplazarán hacia la izquierda.
19.3 TRANSFORMACIONES DE LA AUSTENITA
19-33
