2. El Sistema Fe-C 2022-2023

Aceros Hipereutectoides

• Contienen entre un 0,76% y un 2,14% de carbono.

Fundiciones

• Están destinadas a fabricar piezas por moldeo.
• Es preferible que la temperatura de fusión sea baja y que el margen de solidificación sea pequeño en la zona de la eutéctica.
• Existen fundiciones hipoeutécticas (entre 2,14% y 4,3% de carbono), eutécticas e hipereutécticas (más de un 4,3% de carbono).

Puntos Críticos del Diagrama Hierro-Carbono

• Se definen puntos críticos inferior (A1), superior (A3) y superior (Acm) para los aceros.
• En la práctica industrial, los puntos críticos varían según la velocidad de calentamiento o enfriamiento.
• En calentamiento, los puntos críticos son mayores que los de equilibrio, y en enfriamiento, son menores que los de equilibrio.

Clasificación de los Aceros

• La clasificación se hace según la composición química y el tratamiento del acero.
• El carbono es el elemento que define a los aceros.
• Existem impurezas indeseables como el fósforo y el azufre, que se arrastran del proceso de obtención del acero.
• Se pueden agregar pequeñas cantidades de manganeso y silicio para mejorar las propiedades del acero.

Distribución de los Elementos Aleantes en los Aceros

• Los elementos aleantes pueden ser libres, disueltos en el hierro, formar óxidos, sulfuros o silicatos, o formar compuestos intermetálicos.
• La distribución de los elementos aleantes depende de su solubilidad en el hierro y de la temperatura de precipitación y disolución.

Clasificación de los Aceros Según la Composición

• La clasificación según la composición se hace según la norma UNE-EN 10020:2001.
• Los aceros al carbono solo llevan carbono como aleante y son los más comunes.
• Los aceros aleados contienen elementos adicionales para mejorar sus propiedades.

Transformaciones de la Austenita

• La microestructura básica de los aceros se obtiene al enfriar la austenita desde una temperatura por debajo de la temperatura eutectoide.
• La transformación de la austenita depende de la composición del acero y de la temperatura de enfriamiento.
• Se pueden obtener microestructuras como la ferrita, la perlita, la cementita y la bainita.
• La temperatura de comienzo de la transformación martensítica (MS) y la temperatura a la que finaliza la transformación martensítica (Mf) dependen de la composición del acero.

Transformación Bainítica

• La transformación bainítica es una transformación térmica que no alcanza las condiciones para que se nucleen las fases de equilibrio.
• Las bainitas son constituyentes con una estructura interna no homogénea: matriz de ferrita y un disperso de cementita.
• La microestructura interna 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.

Diagramas Temperatura-Tiempo-Transformación

• Los diagramas TTT (temperatura-tiempo-transformación) muestran la evolución de la descomposición de la austenita en función del tiempo de permanencia a una temperatura constante.
• Los 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 a porcentajes crecientes de austenita transformada.

Fases alotrópicas del hierro

• A presión atmosférica, el hierro presenta tres fases alotrópicas: α, γ, y δ
• Fase α: T < 912 ºC, estructura BCC (Cúbica Centrada en el Cuerpo), ferromagnética (T < 770 ºC)
• Fase γ: 912 < T < 1394 ºC, estructura FCC (Cúbica Centrada en la Cara), no ferromagnética
• Fase δ: 1394 < T < 1538 ºC, estructura BCC, no ferromagnética
• La fase γ es más compacta que la fase α, lo que causa contracción al producirse la transformación α-γ
• La transformación γ-δ se acompaña de una dilatación de la pieza

Características de las principales fases alotrópicas del hierro

• La fase α tiene 12 huecos tetraédricos y 6 huecos octaédricos
• La fase γ tiene 8 huecos tetraédricos y 4 huecos octaédricos
• El tamaño relativo de los huecos en las fases α y γ es importante para explicar el comportamiento del carbono en los aceros

Clasificación de los aceros

• Los aceros se pueden clasificar según su composición
• Los elementos aleantes pueden distribuirse de manera diferente en los aceros:
  • Libres: insolubles en el hierro (e.g., Pb en aceros de fácil mecanizado)
  • Disueltos en el hierro: se distingue entre los que se disuelven preferentemente en la austenita (gammágenos) o en la ferrita (alfágenos)
  • Formando óxidos, sulfuros o silicatos: se trata de reducir al mínimo, ya que bajan la calidad del acero
  • Formando compuestos intermetálicos: requiere un alto contenido en aleante
  • Formando carburos: elementos situados a la izquierda del Fe en el sistema periódico (e.g., Mn, Cr, W, Mo, V, Ti, Zr, Ta, Nb)

Transformaciones de la austenita

• La transformación martensítica: se produce cuando la temperatura de enfriamiento es menor que la temperatura Mf
• La transformación bainítica: se produce cuando no se alcanzan las condiciones para que se nucleen las fases de equilibrio
• La austenita retenida: se produce cuando la temperatura de enfriamiento está por encima de la Mf
• La temperatura de comienzo de la transformación martensítica (MS) y la temperatura de finalización (Mf) dependen de la composición del acero
• La presencia de elementos aleantes puede influir en las temperaturas MS y Mf

Acción de los aleantes sobre el diagrama Fe-C

• Elementos gammágenos (e.g., Ni, Mn, Cu, N): bajan las temperaturas A1 y A3, disminuyen el porcentaje de carbono del eutectoide
• Elementos alfágenos (e.g., Cr, Mo, V, W, Nb, Al, Si, Ta): suben las temperaturas A1 y A3, disminuyen el porcentaje de carbono del eutectoide, forman carburos y endurecen la ferrita

Acción de los aleantes sobre los diagramas TTT

• Elementos gammágenos: retrasan hacia tiempos mayores las transformaciones perlítica y bainítica, rebajan las temperaturas MS y Mf
• Elementos alfágenos: desplazan a mayores temperaturas la reacción perlítica, retrasan la transformación perlítica yITTLEen las MS y Mf

Influencia del tamaño de grano austenítico en los diagramas TTT

• Un tamaño pequeño de los granos de austenita permite una nucleación más rápida de las nuevas fases, lo que desplaza las curvas de los diagramas TTT hacia la izquierda.

Fases Alotrópicas del Hierro

• El hierro tiene varias fases alotrópicas, que se caracterizan por su estructura cristalina y propiedades físicas.
• A presión atmosférica, se presentan tres fases alotrópicas: fase α (BCC, ferromagnética), fase γ (FCC, no ferromagnética) y fase δ (BCC, no ferromagnética).
• La fase γ es más compacta que la fase α, lo que implica una contracción del hierro al producirse la transformación α→γ.
• La transformación γ→δ se acompaña de una dilatación de la pieza.

Características de las Fases Alotrópicas del Hierro

• La fase α tiene una estructura BCC, con 12 huecos tetraédricos y 6 huecos octaédricos.
• La fase γ tiene una estructura FCC, con 8 huecos tetraédricos y 4 huecos octaédricos.
• El tamaño relativo de los huecos en las fases α y γ es importante para explicar el comportamiento del carbono en los aceros.

Diagrama de Fases Hierro-Carbono

• El diagrama de fases hierro-carbono muestra la relación entre la temperatura y la composición de las fases presentes en la aleación.
• A temperatura ambiente, una aleación Fe-C evoluciona hasta su estructura de máximo equilibrio, formando cristales de Fe y grafito separados.
• En la mayoría de los casos, el carbono reacciona con el Fe para formar cementita (Fe3C), no se forma grafito.

Propiedades de la Cementita

• La cementita es un compuesto en el que el 25% de los átomos son de carbono.
• El porcentaje de carbono en peso es del 6,67%.
• La cementita tiene una estructura ortorrómbica y es ferromagnética hasta los 218°C.

Clasificación de los Aceros

• Los aceros se clasifican según la composición y las propiedades mecánicas.
• Los aceros al carbono solo contienen carbono como aleante.
• Los aceros de alta aleación contienen otros elementos aleantes como Cr, W, Mo, V, Ti, Nb, N, etc.

Transformaciones de la Austenita

• La austenita se transforma en otras fases, como la martensita, la bainita o la ferrita, dependiendo de la temperatura y el contenido de carbono.
• La martensita es una fase muy dura, con una estructura tetragonal centrada en el cuerpo, y se forma por deslizamiento de planos y maclado en la red austenítica.
• La bainita se desarrolla a temperaturas más bajas, con una forma acicular, y tiene mayor dureza y resistencia que la martensita.

Diagramas TTT

• Los diagramas TTT (temperatura-tiempo-transformación) muestran la evolución de la descomposición de la austenita, a temperatura constante, en función del tiempo de permanencia a la misma.
• Los diagramas TTT pueden ser de transformación isotérmica o de enfriamiento continuo.
• En los diagramas TTT, se representan varias curvas, correspondientes a porcentajes crecientes de austenita transformada.