Obtención y producción del hierro y el acero

Diagrama Hierro-Carbono

Cuatrimestre 14-2 Materiales

Constituyentes alotrópicos del hierro puro. Al enfriarse el hierro desde el estado líquido, se alcanza el punto de solidificación a 1532°C, convirtiéndose en hierro delta (Fe-), cuta estructura cristalina es BCC con un parámetro de red a=2.93 Å.

Curva de enfriamiento del hierro puro

Variación de volumen con la temperatura en el Fe puro.

Al seguir enfriándose, a 1314 °C, el Fe- sufre un cambio alotrópico y se transforma en Fe-, que tiene una estructura cristalina FCC con un parámetro medio de red a=3.65 Å. Este cambio alotrópico lleva asociada una contracción del metal. La estructura se contrae, ya que la estructura del Fe- es compacta, y de dos celdas de Fe- aparecen cuatro celdas de Fe- .

Dos celdas de Fe- se convierten en cuatro de Fe- o cuatro de Fe-, según se enfrié o caliente

En la figura anterior en la figura (a) están representadas dos celdas FCC de donde salen cuatro celdas como se aprecia en la figura (b) y para pasar de estas a la figura (c) la red tiene que acortarse en la dirección z y estirarse en las direcciones x y y. El cristal para pasar de una red a otra, lo hace por contracción o dilatación de ciertos planos cristalográficos, esto por movimientos de corte.

Una vez que se obtuvo el Fe-, al seguir disminuyendo la temperatura, la red cristalina se va contrayendo hasta llegar a los 912 °C, donde sufre un aumento brusco de volumen, debido a un nuevo cambio alotrópico en Fe-, que tiene una estructura cristalina BCC con un parámetro reticular de a=2.9 Å. El Fe- por debajo de 723 °C se vuelve magnético

Diagrama Hierro - Carbono

El acero se obtiene cuando se mezcla hierro con carbono.

Un acero aleado es aquel al que se añaden elementos de aleación adicionales al carbono.

El acero esta formado simplemente por hierro y carbono se le puede llamar “acero al carbono”.

El punto de división entre los aceros y los hierros fundidos es de 2.11 %C, punto en que se hace posible la reacción eutéctica (reacción invariante de tres fases, en la que la fase líquida se solidifica y produce 2 fases sólidas).

Para los aceros nos concentraremos en la porción eutectoide (reacción invariante de tres fases en la que se transforma una fase sólida en dos fases sólidas diferentes), en la cual se identifican de manera especial las líneas de solubilidad y la isoterma eutectoide.

En el diagrama hierro-carbono la línea A3 muestra la temperatura a la cual empieza a formarse la ferrita al enfriarse.

La línea Acm muestra la temperatura a la cual se empieza a formar la cementita.

La línea A1 es la temperatura eutectoide.

Al tomar como base el contenido de Carbono en el diagrama Fe-C, se observa que :

- Aquellas aleaciones que contengan de 0.008 a 2.11 %C se conocen como aceros.

- Aquellas aleaciones que contengan 2.11 a 6.67 %C se conocen como hierros fundidos o fundiciones.

El intervalo del acero se subdivide aun mas en base al %C.

- Los aceros con un contenido de Carbono de 0.008 a 0.77 %C se llaman aceros hipoeutectoides.

- Los aceros con un contenido de Carbono de 0.77 a 2.11 %C se llaman aceros hipereutectoides.

El hierro fundido o fundiciones también se subdivide por el contenido de carbono eutéctico.

- Las fundiciones que contengan un contenido de carbono de 2.11 a 4.3 %C se conocen como hierros fundidos o fundiciones hipoeutécticas.

- Las fundiciones que contengan un contenido de carbono de 4.3 a 6.67 %C se conocen como hierros fundidos o fundiciones hipereutécticas.

Dentro del diagrama se tienen líneas críticas (Investigar que significa cada línea y sus temperaturas

A0

A1

A2

A3

Acm

Investigar los siguientes puntos: Cementita Austenita () FCC Ledebutita Ferrita () BCC Perlita Martensita

Bainita.

Fases del acero en el diagrama hierro-carbono

(a) Austenita (500X) (b) Ferrita (100X

(c) Perlita (2500X) (d) Perlita (17000X con microscopia electrónica de barrido)

Martensita, 2500X Acero al carbono al 1% templado en agua, atacado con nital al 2%, 750 X. Nódulos de martensita están retenidos en la matriz de austenita

Bainita plumosa y perlita fina en una matriz martensítica (blanca), 1000X

Bainita transformada a 454 °C, tomada en el microscopio electrónico de barrido, 15000 X

Bainita acicular o inferior, agujas negras en una matriz martensítica (blanca), 2500X

Bainita transformada a 260 °C, tomada en el microscopio electrónico de barrido, 15000 X

Diagrama simplificado Fe-C El diagrama Fe-C es también llamado en ocasiones diagrama Fe-Fe3C de una manera simplificada como se muestra en la siguiente figura.

Reacción eutéctica

Reacción eutéctoide

Transformación en equilibrio dela austenita en el enfriamiento. Cuando estamos en la zona del diagrama comprendida entre 0 y 2.11 %C que es la zona de los aceros, los aceros con contenidos de carbono inferiores al punto eutectoide (0.77 %C) se llaman hipoeutectoides y los que presentan contenidos mayores a este punto eutectoide son llamados aceros hipereutectoides. Todos los aceros al carbono al calentarlos por arriba de la línea critica A1 o Acm según sea el caso presentan la fase austenita. En siguiente figura se muestran ejemplos de los aspectos microestructurales de la austenita.

Austenita a diferentes aumentos. Los limites de grano son bastante poligonales y en algunos granos se pueden apreciar limites de subgrano dentro de los mismos granos

La figura siguiente nos muestra la ruta de enfriamiento de una aleación eutectoide, que nos da un acero perlítico. Al enfriar la austenita, cuando llegamos a la linea A1 (727 °C) en la frontera del grano austenítico aparecen varios gérmenes de cementita. Estos gérmenes al ir creciendo absorben carbono de forma que las zonas que los rodean quedan empobrecidas de carbono y se forma la ferrita.

Representación esquemática del enfriamiento de un acero eutectoide.

Esta aleación eutectoide, llamada perlita, consiste de laminas alternas de ferrita y de cementita que se agrupan en colonias, por lo tanto se estaría hablando de granos de perlita

(a) Se representan colonias de perlita muy gruesa (500X) (b) Se representa un acero perlítico industrial (alambrón) austenizado y enfriado lentamente

(recocido).

La siguiente figura nos representa el enfriamiento de aceros hipoeutectoides ferríticos (< 0.2 %C). En el enfriamiento de estos aceros la austenita se transforma en ferrita, a su vez esta ferrita atraviesa la línea de solvus (contenidos de carbono próximos a 0.02%C) precipita algo de cementita en los limites de grano. Si los contenidos de carbono son próximos al 0.008%C el acero es ferrítico a temperatura ambiente. Estos aceros son muy parecidos entre si porque la cementita que puede precipitar es muy poca.

Acero con contenido de carbono inferior al 0.2%C, pasa de austenita a ferrita.

(a) Acero hipoeutectoide ferrítico (0.013 %C) (100 X). (b) Acero ferrítico con los límites de grano más gruesos que los del (a) (100 X). Si se

observaran por separado seria difícil distinguirlos a no ser que aumentemos. (c) Mismo acero que (b) a 250X donde se observan carburos precipitados mayormente en el

limite de grano.

Los aceros hipoeutectoides que en su enfriamiento atraviesan la línea A1 siempre tienen ferrita y perlita como se esquematiza en la siguiente figura. En el enfriamiento, los limites de grano de la austenita al atravesar la línea A3 comienza a aparecer la ferrita, y al atravesar la línea A1 la austenita no transformada se convierte en perlita. La microesructura de estos aceros es por lo tanto de fase matriz ferrita y fase dispersa perlita.

Esquema de enfriamiento de un acero ferritico-perlítico

Microestructura de aceros ferrítico-perlíticos. La perlita es oscura y la ferrita clara. (a) Acero con poco carbono (0.22 %C) y por lo tanto mucha ferrita y poca perlita (500X). A

medida que aumenta el contenido en carbono disminuye el porcentaje de ferrita. (b) Acero aproximadamente con 0.45 %C (500X).

Microestructura de aceros ferrítico-perlíticos. La perlita es oscura y la ferrita clara. (c) Acero aproximadamente con 0.7 %C (500X). (d) Acero ferrítico-perlítico muy aumentado (1000X)

Los aceros hipereutectoides siguen la ruta de enfriamiento que se muestra en la figura siguiente:

Esquema de enfriamiento de un acero hipereutecoide. El Fe3C que se representa oscura es en realidad claro.

En la figura anterior se aprecia como al atravesar la línea Acm en el enfriamiento en los limites de grano de la austenita comienzan a aparecer cementita. Cuando se llega a la línea A1 la austenita restante se transforma en perlita. Estos aceros consisten por lo tanto en perlita con una película fina de cementita en el limite de grano ya que al estar lejos de la cementita (6.67 %C) y cerca de la perlita (0.77 %C) el porcentaje de cementita no puede ser elevado (por la ley de la palanca). Aunque en la figura se representa a la cementita proeutectoide situada en el limite de grano en color oscuro, en las micrografías en realidad se ve clara, en contraposición a las laminillas de cementita de la perlita que se ven oscuras

Acero hipereutectoide 1.2 %C (1000 X)

La microestructura y el comportamiento mecánico de los acero al carbono obtenidos en equilibrio.

La austenita es FCC, por lo que admite grandes deformaciones plásticas como se observa en la tabla siguiente donde el alargamiento varia entre el 30 y el 60 %

Tabla. Algunas propiedades de distintos constituyentes de los aceros.

Esta variación en el alargamiento es debido a su contenido en carbono que va de 0 a 2.11%C. A mayor contenido de carbono, mayor distorsión de la red cristalina por solución sólida y por lo tanto mayor dureza y menor alargamiento. Su resistencia mecánica es buena entre 900 y 1050 MPa. La ferrita es BCC, siempre tiene poco carbono, lo cual hace que pueda deformarse hasta un 35%, es muy blanda y poco resistente. La cementita es muy frágil, no tiene alargamiento y es muy poco resistente, sin embargo es muy dura. La perlita gruesa es un material compuesto de laminillas de ferrita y laminillas de cementita, tiene mejor resistencia mecánica que cada uno de sus constituyentes por separado. Las laminillas de cementita son obstáculos al movimiento fácil de las dislocaciones por la ferrita. A medida que la perlita se mace ,as fina, aumenta la resistencia y dureza en detrimento de su alargamiento