DIAGRAMA

HIERRO

CARBONO

ESPOCHFACULTAD MECÁNICA

ESCUELA ING.

INDUSTRIAL

MATERIALES

TRABAJO

PREPARATORIO

GUILLERMO VERDEZOTO

GALO GUEVARA

El sistema de aleaciones binario más importante

es el hierro-carbono.

Diagrama de aleación hierro-carbono es 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,

composición química y presión atmosférica.

Industrialmente se convierte en una herramienta

para el ingeniero industrial para el manejo y

conocimiento delos materiales ferrosos como

aceros y hierros fundidos.

DIAGRAMA Fe - C

DIAGRAMA Fe - C

En la industria encontraremos los siguientes tipos

de materiales:

80% Materiales Ferrosos

10% Materiales no ferrosos

10% Resto de materiales

MATERIALES FERROSOS

Llamaremos material ferroso a todo material que

en su composición contenga una proporción de

hierro.

La producción mundial de metales ferrosos es

más de veinte veces superior a la del resto de los

metales juntos. Esto es debido por un lado a su

abundancia y por otro a la gran cantidad y

variedad de productos que se pueden obtener

a partir del hierro.

Se divide en:

Aceros

Hierros fundidos

DIAGRAMA Fe - C

DIAGRAMA Fe - C

MATERIALES NO FERROSOSLos no ferrosos son todos los metales y aleaciones que notienen en su composición química Hierro.

Se pueden clasificar según su densidad en:

PESADOS cuya densidad es igual o mayor de 5kg/dm cúbico .Tales como: Estaño, cobre, cinc, plomo, níquel, wolframio y

cobalto.LIGEROS cuya densidad está comprendida entre 2 y 5kg/dmcúbico. Tales como: Aluminio y titanio.

ULTRALIGEROS cuya densidad es menor de 2kg/dm cúbico.Tales como: magnesio y berilio.

RESTO DE MATERIALES

Cerámicos.- son sólidos, formados principalmentepor un metal y un no metal, y la unión entre losátomos se da mediante iónico o covalente. Seforman calentando el compuesto químico y luegodejándolo enfriar.

Polímeros.- es un compuesto orgánico, quepuede ser de origen natural o sintético. Losplásticos son ejemplos de polímeros.

Un material compuesto exhibe propiedadescombinadas de los componentes que lo forman.Un ejemplo es el concreto armado, dondetenemos el cemento (un cerámico) y varas deacero (aleación metálica).

DIAGRAMA Fe - C

DIAGRAMA Fe - C

El límite del diagrama corresponde a una proporciónde carbono del 6,67 % que es el de la cementitapura. Las aleaciones hiero-carbono con carbono enproporción superior al 6,67 %, lo contendrán enforma de grafito y, por tanto, están excluidas de lasaleaciones ahora consideradas, que deben estarformadas única y exclusivamente con carbonocombinado con el hierro en forma de carburo dehierro.

El punto C denominado eutéctico, correspondientea una proporción de carbono del 4,3 %, y decarburo de hierro en total de 64,5 %. La aleación del4,3 % de carbono es la de más bajo punto de fusión(1.130°) (1.148º). Además, la totalidad de la masa dela aleación funde o se solidifica a una solatemperatura en lugar de a dos temperaturas, una deprincipio y otra de fin del cambio de estado (fusión osolidificación, como ocurre con las aleaciones decontenido de carbono superior o inferior al 4,3 %).

DIAGRAMA Fe - C

Y así como con contenidos inferiores de carbonoentre el principio y el fin de la solidificación se vaprecipitando austenita, y para aleaciones decontenidos de carbono superiores al 4,3 % entre elprincipio y el fin de la solidificación se precipitancristales de cementita, las aleaciones del 4,3 % de Cse solidifican formando un solo constituyente, quetambién se denomina eutéctico y es la ledeburita,formado, como se sabe, por el 52 % de cementita y el48 % de austenita de 1,76 % (2,11%) de carbono a1.130 (1.148) grados.

El punto E marca la máxima solubilidad del carbonoen hierro gamma; es decir, que es el punto demáximo contenido de carbono de la austenita, que,como se recordará, es solución sólida de carbonoen hierro gamma. Este punto corresponde a uncontenido de carbono de 1,76% (2,11%).

DIAGRAMA Fe - C

Además, el punto de 1,76 % (2,11%) en el eje de

las abscisas divide las aleaciones de hierro-

carbono en dos clases de características muy

distintas: los aceros de contenido de carbono

inferior al, 1,76% (2,11%) hasta 0,03% (0,022%), y

las fundiciones de contenido de carbono

comprendido entre 1,76 (2,11) a 6,67 %.

Los aceros son las aleaciones de hierro-

carbono que a partir de una temperatura

determinada, marcadas en el diagrama por las

líneas A3 (GS) (GP) Y Acm (SE) (PE), se

transforman íntegramente en austenita, y la

austenita, al enfriarla rápidamente, se

convierte en martensita.

DIAGRAMA Fe - C

El punto S (P), denominado eutectoide, es análogoal punto C, que denominábamos eutéctico. Ladiferencia está en que en el punto eutéctico tienelugar un cambio de estado de líquido a sólido o desólido a líquido, y en el punto eutectoide seproduce solamente una transformación de laconstitución de la aleación, que es sólida lo mismoa temperaturas inferiores que a temperaturassuperiores al punto eutectoide.

La analogía, salvo esta diferencia, es total. Asícomo el punto C (eutéctico) marcaba lacomposición de la aleación que permanecíalíquida a más baja temperatura, también el punto S(P) (eutectoide) marca la composición de laaustenita, que es estable a más baja temperatura.Este porcentaje es de 0,89% (0,77%) de C, osea, 13,5% de carburo de hierro.

DIAGRAMA Fe - C

Además, la totalidad de la masa de la austenita setransforma íntegramente al pasar por el punto S (P)(eutectoide) en perlita, que es el constituyenteeutectoide, igual que era la ledeburita el constituyenteeutéctico que se formaba al solidificarse la aleación enel punto C (eutéctico). Para contenidos de carbonosuperiores o inferiores al del punto S (P) (0,89 % de C)(0,77% de C), la austenita va segregando unconstituyente nuevo hasta que, al llegar a latemperatura de 723º (727º), la austenita alcanza lacomposición eutectoide y se transforma íntegramenteen perlita. Para porcentajes de carbono superiores aI0,89% (0,77%), la austenita, al enfriarse por debajo de lalínea Acm (SE) (PE), segrega cementita hasta llegar a los723º (727º). Y para porcentajes de carbono inferiores al0,89% (0,77%) de C, la austenita, al bajar en suenfriamiento de temperaturas inferiores a las de la líneaA3 (GS) (GP), segrega ferrita hasta llegar a los 723º(727º).

DIAGRAMA Fe - C

Punto J (Y), cuyo porcentaje de carbono de 0,18 %es el de la austenita, que permanece estable a lamás alta temperatura de 1.492°. Este punto sedenomina peritéctico, y puede considerarse comoun punto eutéctico al revés.

El punto H (B), de 0,08 % de C, es el máximoporcentaje que puede contener en solución sólidael hierro delta.

Y, por fin, el punto P (L), de 0,025 % (0,022%) de C,que es el máximo porcentaje de carbono quepuede disolver la ferrita.

Se ha marcado también en el diagrama, en el eje delas abscisas, un punto que corresponde a 0,03 %(0,022%) de carbono, que es el mínimo que puedecontener el hierro para que se considere aleaciónhierro-carbono. Por debajo de este porcentaje decarbono se considera como hierro técnicamentepuro

DIAGRAMA Fe - C

En el eje de las ordenadas hay los siguientes puntoscríticos:

Ao = 210° (230º), en el que tiene lugar el cambiomagnético de la cementita. Es decir, hasta 210°(230º) la cementita es magnética, y por encima deesta temperatura deja de ser magnética.

A1 = 723° (727º), que es el límite de la perlita.

A2 = 768°, que es la temperatura de cambiomagnético de la ferrita. Por encima de estatemperatura, la ferrita deja de ser magnética.

A3 = (línea SG) (GP), que es el límite de la ferrita. Estepunto crítico varía desde 723º (727º) a 910° (912º),según el % de carbono.

Acm = (línea SE) (PE), que es el límite de lacementita. Este punto crítico varía entre 723° (727º) y1.130° (1.148º).

DIAGRAMA Fe - C

Línea EF = 1.130° (1.148º), que es el límite de la

ledeburita.

La línea AHJECF (OBYECF) es la de temperaturas

de iniciación de la fusión al calentar o de

terminación de la solidificación al enfriar. Por

debajo de esta línea todo el metal está sólido.

La línea ABCD (AZCD) es la de temperaturas de

fin de la fusión al calentar o de iniciación de la

solidificación al enfriar. Por encima de ella todo

el metal está en estado líquido. Entre esta línea y

la anterior existe una mezcla de líquido y sólido.

Línea A4 = (línea HB) (BZ), que es el límite

superior de la austenita

DIAGRAMA Fe - C

CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES DE ACUERDO AL DIAGRAMA Fe-C

Los aceros y fundiciones son aleaciones hierro-carbono.

La clasificación de las aleaciones férreas según elcontenido en carbono comprende tres grandesgrupos:

Hierro cuando contiene menos del 0.008 % enpeso de C.

Acero cuando la aleación Fe-C tiene uncontenido en C mayor del 0.008 y menor del 2.11% en peso.

Fundición cuando la aleación Fe-C tiene uncontenido en C superior al 2.1 %.

DIAGRAMA Fe - C

HIERROSOtro aspecto importante es el que se refiere a la

máxima solubilidad de carbono en la red de hierro

(sólido) que se produce a 1148º C y es de 2.11% C.

HIERRO GAMA es el hierro entre la temperatura 1394º y912º C y corresponde a la forma cristalina de cubo de

caras centradas. El hierro en esa forma cristalina tiene los

huecos más grandes en la red, pudiendo así acomodar

los átomos de carbono con distorsión no tan

pronunciada como es el caso de la forma cristalina

cubo de cuerpo centrado llamada HIERRO ALFA razónpor la cual el Feγ disuelve mayor cantidad de carbono

que el Feα. Esta disolución se refiere a aceptar el

carbono en su red y formar una fase totalmente

homogénea, tal como la disolución de la sal en el agua.

DIAGRAMA Fe - C

DIAGRAMA Fe - C

DIAGRAMA Fe - C

ACEROSDIAGRAMA Fe - C

Aceros hipoeutectoides.- son

aquellos que poseen menos

del 0.77 % de C. La

microestructura presente en

estos aceros consiste de

perlita y ferrita.

En función de las fases presentes los aceros pueden clasificarse en:

DIAGRAMA Fe - CACEROS

Aceros eutectoides.- son aquellos que poseen exactamente del 0.77

% de C. La microestructura esta formada totalmente de perlita.

DIAGRAMA Fe - CACEROS

Aceros eutectoides.- son aquellos que poseen mas del 0.77 % de C.

La microestructura consiste en cementita y perlita.

DIAGRAMA Fe - C

Los aceros al carbono también pueden clasificarse de

la siguiente manera:

1. Aceros de bajo carbono.- su porcentaje de carbonoes menor a 0.2%. Su microestructura está formada

principalmente por ferrita. Son metales muy suaves,

dúctiles y de baja resistencia.

2. Aceros de medio carbono.- su porcentaje decarbono oscila entre 0.2% y 0.5%. Su microestructura

esta formada por la mezcla de ferrita y perlita.

Constituyen la mayoría de aceros al carbono

disponibles comercialmente y sus propiedades

mecánicas dependen de la cantidad de ferrita y

perlita que posean.

3. Aceros de alto carbono.- su porcentaje de carbonoes mayor al 0.5%. Tienen dureza y resistencia

elevadas. Su du ductilbildad y tenacidad son bajas.

FUNDICIONES

La fundición eutectica, con contenido de 4.3% decarbono y una estructura compuesta de ledeburitasin fases sobrantes.

Fundiciones blancas hipoeutecticas, tiene uncontenido de carbono del 2 al 4.3%. Estáncompuestas de perlita y cementita.

Fundiciones blancas hipereutecticas, tiene uncontenido de carbono de 4.3 a 6.67%. Estáncompuestas de perlita y cementita.

Los bloques de fundición blanca poseen una grandureza y fragilidad; por esta razón las fundicionesblancas tiene poca aplicación directa. Se empleanampliamente las fundiciones blancas hipoeutecticascon contenido de 2.5 a 3.2% de carbono para obteneruna fundición forjable.

DIAGRAMA Fe - C

DIAGRAMA Fe - C

DIAGRAMA Fe - C

La fundición gris tiene un contenido en carbono entre2.5 y 4.0 % y de silicio entre 1 y 3 %.

El grafito suele aparecer como escamas dentro de unamatriz de ferrita o perlita, la microestructura se observaen la figura 4.10. El nombre se debe al color de unasuperficie fracturada. Desde un punto de vistamecánico las fundiciones grises soncomparativamente frágiles y poco resistentes a latracción. La resistencia y la ductilidad a los esfuerzosde compresión son muy superiores. Esta fundicionesamortiguan la energía vibracional de forma muchomás efectiva que los aceros. Así los equipos que vibranmucho se suelen construir de esta aleación. A latemperatura de colada tienen mucha fluidez por loque permite moldear piezas de forma muycomplicadas. Además, la fundición gris es uno de losmateriales metálicos más baratos. Se utiliza en bloquede motores, tambores de freno, cilindros y pistones demotores.

DIAGRAMA Fe - C

La fundición dúctil o esferoidal 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 escamas sino

que forma esferoides (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.

DIAGRAMA Fe - C

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.

DIAGRAMA Fe - C

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 racimos o rosetas dentro de

la matriz ferrifica o perlítica. La microestructura se

representa en la figura 4.13 y es similar a la de la

fundición esferoidal. Se suele emplear en tubos

de dirección y engranajes de transmisión, muelles

tubulares y partes de válvulas.

DIAGRAMA Fe - C

FERRITALa ferrita o hierro alfa puede serconsiderado como puro hierro(fuerza = 280N/mm2). La ferrita es unmaterial cerámico ferromagnético,compuestos por hierro, boro y bario,estroncio o molibdeno. Es junto conla austenita y cementita uno de losconstituyentes simples del sistemametaestable Fe-C donde elcarbono forma el compuestointermetálico Fe3C.

CEMENTITALa cementita o carburo de hierroFe3C con un contenido en carbonoC del 6,67 %, se produce por efectodel exceso de carbono sobre el límitede solubilidad.

Es un compuesto intermetálico cuyoenlace predominante es no metálico,parece lógico que sea frágil por loque, no es posible utilizarla paraoperaciones de laminado o forjadebido a su dificultad para ajustarsea esfuerzos.

MICROCONSTITUYENTESDIAGRAMA Fe - C

LA AUSTENITA Es el constituyente más denso de losaceros y está formado por unasolución sólida por inserción decarbono en hierro gamma . Lacantidad de carbono disuelto, varíade 0,8 % al 1,67 % de carbono C, quees la máxima solubilidad a latemperatura de 1125 °C. No es establea la temperatura ambiente peroexisten algunos aceros al cromo-níqueldenominados austeníticos cuyaestructura es austenita a temperaturaambiente.

PERLITALa perlita es un constituyente compuestoaproximadamente por el 86,5 % de ferrita yel 13,5 % de cementita. Su microestructuraestá formada por capas o láminas alternasde las dos fases (ferrita y cementita)durante el enfriamiento lento de un aceroa temperatura eutectoide. Se le da estenombre porque tiene la apariencia de unaperla al observarse microscópicamente apocos aumentos. Como la fase mayoritariaes la ferrita, las propiedades estarán máspróximas a las de la ferrita: dureza 200Brinell, resistencia: 80kg/mm2, alargamiento: 15 % y resiliencia:10kg/mm2

DIAGRAMA Fe - C

LA MARTENSITALa martensita es una solución sólidasobresaturada de carbono en hierroalfa . Después de la cementita, es elconstituyente más duro de los acerostemplados. Se obtiene porenfriamiento muy rápido de los aceros,una vez elevada su temperatura losuficiente para conseguir suconstitución austenítica. Suspropiedades físicas varían con sucontenido en carbono hasta unmáximo de 0,7 % C, aumentando sudureza, resistencia mecánica yfragilidad con el contenido decarbono.

BAINITALa bainita es una mezcla de fases deferrita y cementita y en su formaciónintervienen procesos de difusión. Seforma la bainita en la transformaciónisoterma de la austenita, en un rangode temperaturas de 250 ºC a 550 ºC.El proceso consiste en enfriarrápidamente la austenita hasta unatemperaturaconstante, manteniéndose dichatemperatura hasta la transformacióntotal de la austenita en bainita.

DIAGRAMA Fe - C

LA TROOSTITA La troostita antiguamente se ladenominaba osmondita. Constituyenteque aparece en algunos acerostemplados, pero con un enfriamiento amenor velocidad que la que producela martensita, obteniéndose unaparcial transformación de la austenitaen productos intermedios. Suspropiedades indican que es unamezcla de cementita y ferrita, queúnicamente se distingue de la perlita,por su forma de divisiónextremadamente fina. Se atacarápidamente y su aspecto es muyoscuro.

SORBITALa sorbita es también un agregado finode cementita y ferrita. Se puedeproducir; por transformación isotérmicade la austenita a temperaturascomprendidas entre 600 ºC y 650 ºC. Alenfriar rápidamente la austenita, quedeber estar a temperaturas por encimade la crítica superior, hasta unatemperatura comprendida entre los 600ºC y 650 ºC, y manteniéndola a estatemperatura constante hasta su totaltransformación en sorbita.

DIAGRAMA Fe - C

LA LEDEBURITA La ledeburita es una mezcla eutécticade austenita y cementita, palabra queen griego significa fluidez perfecta. Lareacción eutéctica se presenta atemperatura constante al enfriar muylentamente un líquido, obteniéndoseentonces dos sólidos puros distintos,estos sólidos solidificanalternativamente, resultando unamezcla muy fina generalmente visiblesolo al microscopio. Es decir, laledeburita se forma al enfriar lafundición líquida de 4,3% de carbonoC, y se lleva a cabo a 1.130º, siendoestable hasta 723 ºC (A3 2 1 o puntocrítico inferior), descomponiéndose apartir de esta temperatura en ferrita ycementita.

STEADITALa steadita es un constituyente denaturaleza eutéctica, que aparece en lasfundiciones de más de 0,15 % de fósforo.Como la steadita se compone de un 10 %de fósforo aproximadamente, y casi todoel fósforo de la fundición se concentra eneste constituyente, se puede calcular elporcentaje de steadita que contiene lafundición por su contenido en fósforo (unafundición que contenga 0,15 % de fósforo,tendrá el 15 % de steadita).

DIAGRAMA Fe - C

GRAFITOEl grafito, o también conocidopor plumbagina, carbonomineral o negro de plomo, es laforma más estable del carbono.Se presenta en forma de masasnegras o grises, con brillometálico. El grafito natural seencuentra en forma de masas,amorfo o de escamas. Sunombre procede de la palabragriega escritura y su por mulaquímica es C. Es carbono puro,aunque puede veniracompañado deporóxido dehierro.

DIAGRAMA Fe - C

IMPUREZASUna impureza es una sustancia dentrode un limitado volumende líquido, gas o sólido, que difierende la composición química de losmateriales o compuestos.

Las impurezas son, ya sea natural oañadidos, durante la síntesis de unasustancia química o productocomercial. Durante la producción, lasimpurezas pueden ser apropósito, accidentalmente, inevitablemente, cierto o añadido en el fondo.

REACCIONES MAS IMPORTANTES EN EL DIAGRAMA

Fe-C

En el diagrama aparecen tres líneas horizontales, las cuales

indican reacciones isotérmicas. La parte del diagramasituada en el ángulo superior izquierdo de la figura se

denomina región delta. En ella se reconocerá la horizontal

correspondiente a la temperatura de 1493ºC como la típica

línea de una reacción peritéctica. La ecuación de esta

reacción puede escribirse en la forma.

DIAGRAMA Fe - C

La máxima solubilidad del carbono en el hierro delta (de red

cúbica centrado en el cuerpo) es 0,10 % de C, mientras que

el Fe gamma (de red cúbica centrado en las caras) disuelve

al carbono en una proporción mucho mayor. En cuanto al

valor industrial de esta región es muy pequeño ya que no se

efectúa ningún tratamiento térmico en este intervalo de

temperaturas.

La siguiente línea horizontal corresponde a una temperatura

de 1129ºC, esta temperatura es la de solidificación del

eutéctico y la reacción que en ella se desarrolla es:

DIAGRAMA Fe - C

La mezcla eutéctica, por lo general, no se ve al

microscopio, ya que a la temperatura ambiente la fasegamma no es estable y experimenta otra transformación

durante el enfriamiento.

La última línea horizontal, se presenta a los 722ºC, esta línea

corresponde a la temperatura de formación del eutectoide,

y al alcanzarse en un enfriamiento lento la fase gamma

debe desaparecer. La ecuación de la reacción eutectoide

que se desarrolla puede expresarse por:

DIAGRAMA Fe - C