Diagrama de Fases Hierro-Carbono: Claves para Entender Acero y Hierro Fundido

Diagrama de Fases Hierro-Carbono

El diagrama de fases hierro-carbono se usa ampliamente para entender las diferentes fases del acero y el hierro fundido. Ambos son mezcla de hierro y carbono, y ambos contienen pequeña cantidad de elementos traza.

El gráfico es complejo pero limitando exploración a Fe₃C, solo nos enfocamos hasta 6,67 % en peso de carbono.

El diagrama se traza con concentraciones de carbono en peso en eje X y escala de temperatura en eje Y.

La figura muestra el diagrama de equilibrio Fe-C donde se representan diversas estructuras (obtenidas durante calentamiento y enfriamiento), fases y constituyentes microscópicos de varios tipos de acero y hierro fundido. Se discuten estructuras principales, significado de líneas y puntos críticos.

Estructuras en el Diagrama Fe-C

Principales constituyentes microscópicos de hierro y acero:

• Austenita
• Ferrita
• Cementita
• Perlita

1. Austenita

Solución sólida de carbono libre (ferrita) y hierro en hierro gamma. Al calentar acero, tras temperatura crítica superior, la formación de estructura completa en austenita: dura, dúctil, no magnética.

Puede disolver gran cantidad de carbono. Se encuentra entre rangos críticos/de transferencia durante calentamiento y enfriamiento. Se forma cuando acero contiene carbono hasta 1,8 % a 1130 °C. Al enfriar bajo 723 °C, empieza a transformarse en perlita y ferrita. Aceros austeníticos no endurecen por métodos usuales de tratamiento térmico y son no magnéticos.

2. Ferrita

Contiene muy poco o ningún carbono en hierro. Nombre dado a cristales de hierro puro: blandos y dúctiles. Enfriamiento lento de acero bajo en carbono bajo temperatura crítica produce estructura ferrítica. Ferrita no endurece al enfriar rápido. Muy blanda y altamente magnética.

3. Cementita

Compuesto químico de carbono con hierro = carburo de hierro (Fe₃C). Hierro fundido con 6,67 % C posee estructura completa de cementita. Cementita libre en todos aceros con > 0,83 % C. Aumenta con % C como refleja diagrama Fe-C. Extremadamente dura.

Dureza y fragilidad del hierro fundido se creen debidas a presencia de cementita. Disminuye resistencia a tracción. Formada cuando carbono forma combinaciones definidas con hierro como carburos de hierro, extremadamente duros. Fragilidad y dureza del hierro fundido controladas principalmente por cementita. Magnética bajo 200 °C.

4. Perlita

Aleación eutectoide de ferrita y cementita. Ocurre en aceros medio y bajo carbono como mezcla mecánica ferrita:cementita 87:13. Dureza aumenta con proporción de perlita en material ferroso.

Perlita: relativamente fuerte, dura y dúctil; ferrita: débil, blanda, dúctil. Formada por láminas alternadas claras/oscuras = ferrita y cementita alternadas. Al microscopio, aspecto perlado → nombre. Aceros duros = perlita + cementita; blandos = ferrita + perlita.

Al aumentar carbono > 0,2 %, temperatura donde ferrita se rechaza primero de austenita cae hasta que, en ≥ 0,8 % C, no hay ferrita libre rechazada. Este acero = eutectoide, estructura perlítica.

Al calentar y enfriar hierro con varios % C (hasta 6 %), las siguientes líneas representan fases indicando estructura del hierro y cómo cambia.

Significado de las Líneas de Transformación

1. Línea ABCD

Arriba: fusión completada durante calentamiento. Metal fundido puramente líquido. Abajo de esta línea y arriba de AHJECF: metal parcialmente sólido y parcialmente líquido. Sólido = austenita. Línea ABCD = temperaturas donde fusión se considera completa. Más allá: metal totalmente fundido. No horizontal: temperatura de fusión varía con contenido de carbono.

2. Línea AHJECF

Metal empieza a fundir a esta temperatura. No horizontal → temperaturas de fusión cambian con % C. Abajo y arriba de GSEC: metal sólido con estructura austenítica.

3. Línea PSK

Cerca de 723 °C, horizontal = línea de temperatura crítica inferior porque transformación del acero empieza aquí. % C no afecta → aceros con diferente % C transforman a misma temperatura.

Rango arriba de línea hasta GSE = rango de transformación. Línea indica: acero con carbono hasta 0,8 % empieza a transformar de ferrita+perlita a austenita durante calentamiento.

4. Línea ECF

Línea a 1130 °C para hierro fundido con % C 2-4,3 %. Abajo de esta y arriba de SK: hierro fundido tiene austenita + ledeburita y cementita + ledeburita.

Preguntas Frecuentes

¿Qué es el diagrama hierro-carbono?

Diagrama Fe-C (también diagrama de fases o equilibrio hierro-carbono) = representación gráfica de estados microestructurales de aleación Fe-C según temperatura y contenido de carbono. Para explicarlo, introducción a estructuras metálicas y hierro puro.

¿Cómo leer un diagrama hierro-carbono?

¿Por qué diagrama hierro-carbono se llama diagrama de equilibrio?

Carburo de hierro = fase metaestable. Por tanto, diagrama hierro-carburo aunque técnicamente representa condiciones metaestables, puede considerarse representando cambios de equilibrio bajo calentamiento y enfriamiento relativamente lentos.

¿Cuáles son las fases en el diagrama de fases hierro-carbono?

Campos de fase de interés: ferrita, cementita, austenita, ferrita+cementita, ferrita+austenita, austenita+cementita.

¿Qué es el diagrama de equilibrio de carbono?

Diagrama de equilibrio hierro-carbono (también diagrama de fases) = representación gráfica de estados microestructurales de aleación Fe-C según temperatura y contenido de carbono.

¿Cuál es el porcentaje de carbono en acero eutectoide?

Acero con 0,8 % C = eutectoide. Microestructura de equilibrio a temperatura ambiente = perlita.

¿Qué es acero dulce?

Metal ferroso de hierro y carbono. Material barato con propiedades aptas para la mayoría de aplicaciones de ingeniería general. Acero dulce bajo en carbono: buenas propiedades magnéticas por alto contenido Fe → 'ferromagnético'.

¿De qué está hecho el acero?

Aleación de hierro y carbono con carbono hasta 2 % (mayor contenido = hierro fundido). Material más usado para infraestructura e industrias mundiales: desde agujas a petroleros.

¿Significado de temperatura A₀ en diagrama hierro-carburo?

Línea A₁ = línea de temperatura eutectoide = temperatura más baja donde hierro f.c.c. puede existir en equilibrio. Justo arriba A₁: microestructura ≈ 25 % austenita, 75 % ferrita.

¿Qué es temperatura crítica en diagrama hierro-carbono?

Temperatura correspondiente a frontera gamma + alfa/gamma para hipo-eutectoide; función de % C, disminuye de 910 °C a 0 % C a 727 °C a 0,76 % C. También = temperatura crítica superior de aceros hipo-eutectoides.

¿Qué es temperatura eutectoide en diagrama hierro-carbono?

Reacción eutectoide: transformación de un sólido en dos sólidos distintos. En sistema Fe-C: punto eutectoide ~0,8 % peso C, 723 °C. Fase justo arriba de temperatura eutectoide para aceros al carbono = austenita (gamma).

¿Cuál es la importancia del diagrama hierro-carbono?

Ampliamente usado para entender fases de acero y hierro fundido. Ambos = mezcla Fe-C + elementos traza.

¿Es el carbono FCC?

Carbono más soluble en fase FCC (área "γ" en diagrama) que en BCC. % carbono determina tipo de aleación al enfriar desde fase FCC o hierro líquido: hierro alfa, acero al carbono (perlita), o hierro fundido.

¿Cómo saber si es BCC o FCC?

Diferencia directa: FCC = átomo en 8 esquinas + centro de 6 caras. BCC = átomo en 8 esquinas + centro del cubo.

¿Es el acero BCC o FCC?

Fase alfa = ferrita. Ferrita = constituyente común en aceros, estructura Cúbica Centrada en Cuerpo (BCC) [menos densamente empaquetada que FCC].

¿Qué es el equilibrio hierro-carbono?

En equilibrio, ferrita pro-eutectoide se forma en aleaciones Fe-C con hasta 0,8 % C. Reacción a 910 °C en hierro puro, pero entre 910-723 °C en aleaciones Fe-C.

¿Qué es perlita en diagrama hierro-carbono?

Perlita = mezcla eutectoide de cementita y ferrita. Diagrama equilibrio Fe-Fe₃C no es equilibrio verdadero porque carburo de hierro es fase inestable que tras tratamiento térmico prolongado se descompone en hierro y carbono (grafito).

¿Qué es ferrita en diagrama hierro-carbono?

Ferrita = solución sólida α. Solución intersticial de pequeña cantidad de carbono disuelto en α (BCC) hierro. Solubilidad máx. 0,025 % C a 723 °C; a temperatura ambiente solo 0,008 % C. Estructura más blanda en diagrama.

¿Cuál es fase de hierro casi puro?

Hierro puro (α-hierro, ferrita) cambia estructura cristalina al calentar sobre 910 °C → γ-hierro (austenita).

¿Por qué línea ACM más inclinada que A₃?

ACM mucho más inclinada que A₃ → cantidad de cementita pro-eutectoide en aceros comerciales muy pequeña, pero también significa que para disolver esta cementita y homogeneizar austenita completamente, hay que calentar a temperaturas muy altas.