Diagrama de Fases Hierro-Carbono Explicado: Equilibrio, Usos y Fases Clave

En este artículo discutiremos sobre el Diagrama de Equilibrio Hierro-Carbono, usos del diagrama de equilibrio, tipos de diagrama de equilibrio hierro-carbono y varias fases y términos asociados con el diagrama de fases hierro-carbono.

¿Qué son los Diagramas de Fases?

Los diagramas de fases son representaciones gráficas de las fases presentes en una aleación bajo diversas condiciones de temperatura, presión y composición química.

La solidificación de aleaciones metálicas se comprende claramente mediante diagramas de equilibrio. Estas son representaciones gráficas de cambios de estado debido a variaciones en temperatura y concentración. Dado que este diagrama indica la naturaleza y constitución de las aleaciones, y la cantidad y composición de fases en un sistema dado, también se conoce como diagrama de constitución o diagrama de fases.

Características y Usos del Diagrama de Equilibrio

El equilibrio implica que los cambios que ocurren en un sistema como resultado de un proceso que procede en una dirección son completamente compensados por cambios debidos a la reversión del proceso en el sistema. Por tanto, se considera una condición dinámica de equilibrio entre movimientos atómicos donde el resultante es cero.

Las tasas de cambio de temperatura o composición han sido extremadamente lentas durante el trabajo experimental, de modo que la aleación "llegue al reposo" antes de que una variable como la temperatura, se cambie de nuevo. La condición, por tanto, es de reposo más que de cambio.

El diagrama de equilibrio indica lo siguiente:

1. Temperatura a la que la aleación sólida comenzará a fundirse y terminará de fundirse.

2. Posibles cambios de fase que ocurrirán como resultado de alterar la composición o temperatura.

¿Qué Representa el Diagrama de Equilibrio?

El diagrama describe las condiciones adecuadas para que dos o más fases existan en equilibrio. Por ejemplo, el diagrama de fases del agua describe un punto (punto triple) donde el agua puede coexistir en tres fases diferentes al mismo tiempo. Esto ocurre justo por encima de la temperatura de congelación (0,01°C) y 0,006 atm.

Usos del Diagrama de Equilibrio en Metalurgia

• Desarrollo de nuevas aleaciones basándose en requisitos de aplicación.
• Producción de estas aleaciones.
• Desarrollo e implementación de procedimientos de tratamiento térmico apropiados para mejorar las propiedades químicas, físicas y mecánicas de estas nuevas aleaciones.
• Resolución de problemas que surgen durante el uso de estas nuevas aleaciones, mejorando finalmente la previsibilidad del producto.

Diagrama de Equilibrio Hierro-Carbono

El Diagrama de equilibrio hierro-carbono (también llamado diagrama de fases hierro-carbono) es una representación gráfica de los respectivos estados microestructurales de la aleación hierro-carbono (Fe-C) dependiendo de la temperatura y contenido de carbono.

El diagrama de fases hierro-carbono se usa comúnmente para comprender plenamente las diversas fases del acero y el hierro fundido. El acero y el hierro fundido son aleaciones de hierro y carbono. Además, ambas aleaciones contienen elementos traza en pequeñas cantidades.

El gráfico es bastante complejo, pero como limitamos nuestra investigación a Fe₃C, solo veremos hasta un 6,67 por ciento en peso de carbono.

Tipos de Diagrama de Equilibrio Hierro-Carbono

El diagrama de equilibrio binario hierro-carbono es la base del acero y el hierro fundido. Concierne transformaciones que ocurren en aleaciones con composiciones desde hierro puro hasta cementita (6,67 por ciento de carbono). Hay dos versiones del diagrama de equilibrio hierro-carbono:

1. Sistema hierro-cementita. 2. Sistema hierro-grafito.

Estos dos sistemas dependen de la velocidad de enfriamiento. El enfriamiento rápido produce cementita y el sistema se conoce como Sistema hierro-cementita. En este sistema, las estructuras formadas en las fases solidificadas no alcanzan un equilibrio suficientemente completo. Por tanto, el sistema hierro-cementita es metaestable.

Mientras que el enfriamiento lento produce grafito y el sistema se conoce como sistema hierro-grafito. Las estructuras formadas en la fase solidificada alcanzan un equilibrio suficientemente completo. Por tanto, este es estable.

Tipos de Aleaciones Ferríferas en el Diagrama de Equilibrio Hierro-Carbono

La escala de porcentaje en peso en el eje X del diagrama de fases hierro-carbono varía desde 0% hasta 6,67% de Carbono. El metal se conoce simplemente como hierro o hierro puro hasta un contenido máximo de carbono de 0,008 por ciento en peso. A temperatura ambiente, existe en el estado ferrita.

El acero es una aleación hierro-carbono con un contenido de carbono que varía desde 0,008 a 2,14 por ciento. Los grados de acero dentro de este rango se conocen como acero bajo en carbono (o acero dulce), acero medio en carbono y acero alto en carbono.

Cuando el contenido de carbono supera el 2,14 por ciento, alcanzamos la etapa de hierro fundido. El hierro fundido es extremadamente duro, pero su fragilidad limita severamente sus aplicaciones y métodos de conformado.

SISTEMA HIERRO-CEMENTITA

Si se hacen una serie de curvas de calentamiento tiempo-temperatura para aceros de diferentes contenidos de carbono y se trazan los puntos críticos correspondientes, se obtendría un diagrama similar a la Fig. 2.14. Este diagrama, que solo se aplica bajo condiciones de enfriamiento lento, se conoce como diagrama de fases hierro-carbono parcial. Consultando este diagrama, se pueden observar fácilmente las temperaturas de temple adecuadas para cualquier acero al carbono. Los puntos críticos en la Fig. 2.14 en la línea PSK se denotan por A1, los de la línea GS por A3, y los de la línea SE por Acm.

Diagrama de Equilibrio Hierro-Carbono con Explicación

Austenita

La Austenita, solución sólida de carbono y otros constituyentes en una forma particular de hierro conocida como γ (gamma) hierro. Tomemos el ejemplo de una pieza de acero al 0,20 por ciento de carbono que se ha calentado a una temperatura alrededor de 850°C. Por encima de Ar3, punto (línea GS), este acero es una solución sólida (tipo intersticial) de carbono en hierro gamma y se llama austenita. Tiene una red cúbica centrada en las caras y es no magnética.

La austenita simple puede contener hasta aproximadamente 2 por ciento de carbono a una temperatura de 1130°C. Al enfriar este acero, los átomos de hierro comienzan a formar una red cúbica centrada en el cuerpo por debajo del punto Ar3 (línea GS). Esta nueva estructura que se forma se llama ferrita o alfa hierro y es una solución sólida de carbono en alfa hierro que contiene hasta 0,008 por ciento de carbono a temperatura ambiente.

A medida que el acero se enfría a Ar1, (línea PSK), se forma ferrita adicional. En la línea Ar1, la austenita que queda se transforma en una nueva estructura llamada perlita. El nombre perlita se debe a su brillo perlado. Consiste en láminas alternas de ferrita y cementita y contiene aproximadamente 87 por ciento de ferrita. La perlita puede ser estructura lamelar fina a gruesa o granular. Es una sustancia fuerte y puede cortarse razonablemente bien con herramientas de corte, es decir, el constituyente perlita en el acero es mecanizable.

Acero Eutectoide

A medida que el contenido de carbono del acero aumenta por encima de 0,20 por ciento, la temperatura a la que la ferrita se rechaza primero de la austenita disminuye hasta que, en aproximadamente 0,80 por ciento de carbono (punto S), no se rechaza ferrita libre de la austenita. Este acero se llama acero eutectoide y es 100 por ciento perlita.

Punto Eutectoide

¿Qué es el Punto Eutectoide?

El punto eutectoide en cualquier metal, como se dijo antes, es la temperatura más baja a la que ocurren cambios en una solución sólida.

Si el contenido de carbono del acero es mayor que el eutectoide (0,8 por ciento de carbono), se observa una nueva línea en el diagrama de fases hierro-carbono denotada por Acm (línea S). La línea denota la temperatura a la que el carburo de hierro se rechaza primero de la austenita en lugar de ferrita.

El carburo de hierro (Fe₃C) se conoce como cementita. Es extremadamente duro, frágil y aparece como placas paralelas (capas laminares), como partículas redondeadas (esferoides) o como envolventes alrededor de los granos de perlita. En el punto C, la mezcla eutéctica que contiene 4,3 por ciento de carbono se conoce como ledeburita. Esto rara vez se ve en aleaciones enfriadas lentamente ya que se descompone, debido a su naturaleza inestable, en otras fases durante el enfriamiento después de la solidificación.

Hipoeutectoide e Hipereutectoide

Los aceros que contienen menos de 0,80 por ciento de carbono se llaman hipoeutectoides y los que contienen más de 0,8 por ciento de carbono se llaman hipereutectoides. Esta terminología se aplica solo a aceros comunes y de baja aleación. Con aceros de alta aleación, la composición eutectoide se altera y la estructura puede ni siquiera existir.

Primero debe señalarse que el diagrama de equilibrio normal realmente representa el equilibrio metaestable entre hierro y carburo de hierro (cementita). La cementita es metaestable, y el equilibrio verdadero debería ser entre hierro y grafito.

Aunque el grafito ocurre extensamente en hierros fundidos (2-4 %p C), suele ser difícil obtener esta fase de equilibrio en aceros (0,03-1,5 %p C). Por tanto, el equilibrio metaestable entre hierro y carburo de hierro debe considerarse, porque es relevante para el comportamiento de la mayoría de los aceros en la práctica.

Sistema Hierro-Grafito

SISTEMA HIERRO-GRAFITO

Ya se ha dicho que el carburo de hierro o cementita es metaestable, aunque bajo condiciones normales, tiende a persistir indefinidamente. Cuando la cementita se descompone, lo hace según la reacción:

Fe₃C ⇌ 3Fe + C

En la fase estable, el carbono libre o grafito ocurre en lugar de la fase conocida como cementita. Con un pequeño grado de sobreenfriamiento, el grafito se forma cuando el hierro fundido se solidifica desde el estado líquido. El enfriamiento lento promueve la grafitización. El enfriamiento rápido suprime parcial o completamente la grafitización y conduce a la formación de cementita.

Un sistema hierro-grafito (como línea discontinua) se muestra en la Fig. 2.14. Se toma como ilustración el caso de una aleación de carbono que contiene 3,5 por ciento de carbono en peso.

En el punto 1 la aleación está en estado líquido. En el punto 2 en la línea de enfriamiento, la reacción que ocurre puede expresarse como:

Imagen

> Entre los puntos 2 y 3, el exceso de carbono en la austenita se precipita como grafito libre y no como cementita. En el punto 3, ocurre la reacción eutectoide. Esto se expresa como:

Imagen

El mecanismo de transformación eutectoide debe transformar una sola fase sólida en otras dos, ambas con composiciones que difieren de la original.

Tomando la descomposición eutectoide del hierro como ejemplo, la austenita que contiene 0,8% C cambia a ferrita (hierro que contiene casi nada de carbono) y cementita (Fe₃C, que contiene 25 at% carbono). Por tanto, los átomos de carbono deben difundirse juntos para formar Fe₃C, dejando ferrita. Núcleos de pequeñas placas de ferrita y cementita se forman en los bordes de grano de la austenita, y la difusión de carbono tiene lugar en una escala muy local justo por delante de la interfase (esquemático abajo).

Así, las placas crecen, consumiendo la austenita a medida que avanzan, para formar perlita. El proceso de grafitización se controla variando la velocidad de enfriamiento y por la aleación adecuada de la matriz metálica.

Términos usados en el Diagrama de Equilibrio Hierro-Carbono

Punto Eutéctico

El punto eutectoide en cualquier metal es la temperatura más baja a la que ocurren cambios en una solución sólida.

Las reacciones eutécticas ocurren en estos puntos, donde una fase líquida se solidifica en una mezcla de dos fases sólidas. Esto ocurre cuando una aleación líquida de composición eutéctica se enfría hasta su temperatura eutéctica.

Las aleaciones eutécticas son las aleaciones que se forman en este punto. Las aleaciones a la izquierda y derecha de este punto se conocen como aleaciones hipoeutécticas e hipoeutécticas ('hipo' en griego significa menos que, 'hiper' significa mayor que).

Austenita

Austenita, solución sólida de carbono y otros constituyentes en una forma particular de hierro conocida como γ (gamma) hierro.

Esta fase es una solución sólida de carbono en Fe FCC con una solubilidad máxima de 2,14% C. Al calentar más, se convierte en ferrita BCC a 1395°C. La γ-austenita es inestable a temperaturas por debajo de la temperatura eutéctica (727°C) a menos que se enfríe rápidamente.

Hierro Alfa o Ferrita

Existente a bajas temperaturas y bajo contenido de carbono, la α-ferrita es una solución sólida de carbono en Fe BCC. Esta fase es estable a temperatura ambiente. En el gráfico, se puede ver como una franja en el borde izquierdo con el eje Y a la izquierda y A2 a la derecha. Esta fase es magnética por debajo de 768°C.

Tiene un contenido máximo de carbono del 0,022 % y se transformará en γ-austenita a 912°C como se muestra en el gráfico.

Cementita

La cementita, una fase metaestable de esta aleación con una composición fija de Fe₃C, es una fase metaestable de esta aleación. A temperatura ambiente, se descompone extremadamente lento en hierro y carbono (grafito).

Este tiempo de descomposición es largo, y tomará mucho más que la vida útil de la aplicación a temperatura ambiente. Otros factores, como temperaturas altas y la adición de ciertos elementos de aleación, pueden influir en esta descomposición promoviendo la formación de grafito.

La cementita es dura y frágil, lo que la hace ideal para refuerzo del acero. Sus propiedades mecánicas están determinadas por su microestructura, que a su vez está determinada por cómo se mezcla con la ferrita.

Hemos intentado cubrir todos los términos relacionados con el diagrama de fases hierro-carbono, incluyendo las diversas fases y términos usados en él para entenderlo mejor. Espero que te haya gustado este artículo sobre el diagrama de equilibrio hierro-carbono. Por favor deja tu opinión en los comentarios.