2. El Sistema Fe-C 2022-2023.pdf

2. EL SISTEMA Fe-C TEMA 2. EL SISTEMA Fe-C 2.1. Fases alotrópicas del hierro. 2.2. Diagrama de fases hierro-carbono. 2.3. Clasificación de los aceros. 2.4. Transformaciones de la austenita. 2-1 2.1 FASES ALOTRÓPICAS DEL H...

2. EL SISTEMA Fe-C TEMA 2. EL SISTEMA Fe-C 2.1. Fases alotrópicas del hierro. 2.2. Diagrama de fases hierro-carbono. 2.3. Clasificación de los aceros. 2.4. Transformaciones de la austenita. 2-1 2.1 FASES ALOTRÓPICAS DEL HIERRO 2.1. Fases alotrópicas del hierro. 2-2  2.1 FASES ALOTRÓPICAS DEL HIERRO a. Fases alotrópicas del hierro.  A presión atmosférica Fase  T < 912 ºC BCC Ferromagnética (T < 770 ºC) Fase  912 < T < 1394 ºC FCC No ferromagnética Fase  1394 < T < 1538 ºC BCC No ferromagnética  La fase  es más compacta que la . Al producirse la transformación , el hierro se contrae.  La transformación  va acompañada de una dilatación de la pieza.  A presiones muy elevadas, aparece una nueva fase alotrópica ε (hexagonal). Puede conseguirse a la presión atmosférica si se añade al Fe una importante cantidad de Mn. 2-3  2.1 FASES ALOTRÓPICAS DEL HIERRO b. Características de las principales fases alotrópicas del hierro  El tamaño relativo de los huecos en las fases  y  es muy importante a la hora de explicar el comportamiento del C en los aceros.  Red FCC: 8 huecos tetraédricos y 4 huecos octaédricos.  Red BCC:12 huecos tetraédricos y 6 huecos octaédricos. Valores a 912ºC () Fase  Fase  Parámetro de red, a 0,2906 nm 0,3647 nm Radio atómico, r 0,1258 nm 0,1289 nm Tamaño de los huecos 0,019 nm 0,053 nm octaédricos Tamaño de los huecos 0,036 nm 0,029 nm tetraédricos 2-4  2.1 FASES ALOTRÓPICAS DEL HIERRO Huecos en la red cúbica centrada en las caras Huecos en la red cúbica centrada en el cuerpo 2-5  2.1 FASES ALOTRÓPICAS DEL HIERRO  Huecos de mayor tamaño: los octaédricos de la fase , FCC.  El diámetro atómico del carbono (0,07 nm), es mayor que el de cualquiera de los huecos de la red del hierro.  El carbono se disolverá en cierta proporción en la fase , colocándose en sus huecos octaédricos.  El tamaño de los huecos de la fase  es mucho menor que el del carbono habrá muy poca solubilidad del C en .  Dentro de la red BCC de la fase , el carbono se sitúa en los huecos octaédricos, porque la distorsión total es menor.  Austenita: solución sólida de C en hierro-.  Ferrita: solución sólida de C en hierro-. 2-6 2.2 DIAGRAMA HIERRO-CARBONO 2.2. Diagrama hierro-carbono. 2-7  2.2 DIAGRAMA HIERRO-CARBONO a. El diagrama de fases Fe-C.  Si una aleación Fe-C evoluciona hasta su estructura de máximo equilibrio a temperatura ambiente, el Fe y el C forman cristales por separado: Fe- y grafito.  En la mayoría de los casos el C reacciona con el Fe para formar cementita (Fe3C) no se forma grafito.  Propiedades de la cementita:  Compuesto en el que el 25% de los átomos son de C.  Porcentaje de C, en peso: 6,67%.  Red ortorrómbica.  Ferromagnética hasta los 218ºC.  Muy dura (68-70 HRC) y frágil. 2-8  2.2 DIAGRAMA HIERRO-CARBONO  El verdadero diagrama Fe-C de equilibrio sería el diagrama Fe- grafito. En la práctica se utiliza el diagrama hierro-cementita. 2-9  2.2 DIAGRAMA HIERRO-CARBONO  Las fases  (Ferrita), (Austenita), y  (Ferrita ) son soluciones sólidas intersticiales de C en Fe.  Máxima solubilidad del C en la ferrita a 727ºC: 0,022%.  La solubilidad en la austenita es mucho mayor. A 727ºC es de un 0,76%, llegando hasta un 2,14% a 1147ºC. b. Reacciones del diagrama Fe-C.  Reacción peritéctica a 1493ºC: Ferrita (0,09%C) + líquido (0,53%C)  Austenita (0,16%C)  Reacción eutéctica a 1147ºC: Líquido (4,3%C)  Austenita (2,14%C) + Cementita (6,67%C)  Reacción eutectoide a 727ºC: Austenita (0,76%C)  Ferrita (0,022%C) + Cementita (6,67%C) 2-10  2.2 DIAGRAMA HIERRO-CARBONO  Constituyente producto de la reacción eutéctica: ledeburita (formada por austenita y cementita).  Constituyente eutectoide, mezcla de ferrita y cementita: perlita.  Generalmente la perlita forma granos con una estructura interna de láminas alternas de ferrita y cementita. Ledeburita Perlita (MEB) 2-11  2.2 DIAGRAMA HIERRO-CARBONO c. Regiones del diagrama Fe-C.  Dos tipos básicos de aleaciones hierro-carbono:  Aceros Entre el 0% y 2,1% de C.  Fundiciones Entre el 2,1% y 6,67% de C. c.1. Aceros.  Son aleaciones para forja.  La forja se hace a temperatura elevada Tf muy alta.  Los aceros, a temperatura elevada, tienen red FCC (la de mayor plasticidad). 2-12 2.2 DIAGRAMA HIERRO-CARBONO  Aceros hipoeutectoides: C entre 0 y 0,76% de C. Mayoritariamente utilizados por la industria.  Aceros eutectoides: C en torno a 0,76% de C.  Aceros hipereutectoides: C entre 0,76% y 2,14%. 2-13  2.2 DIAGRAMA HIERRO-CARBONO c.2. Fundiciones.  Destinadas a fabricar piezas por moldeo.  Es preferible que la temperatura de fusión sea baja, y que el margen de solidificación sea pequeño zona de la eutéctica.  Hay fundiciones hipoeutécticas (entre el 2,14% y el 4,3% de C), eutécticas e hipereutécticas (más de un 4,3% de C) 2-14  2.2 DIAGRAMA HIERRO-CARBONO d. Puntos críticos del diagrama Fe-C.  Para los aceros, se definen: punto crítico inferior A1, punto crítico superior A3 y punto crítico superior Acm  En la práctica industrial, los puntos críticos varían según la velocidad de calentamiento o enfriamiento.  En calentamiento (Ac1, Ac3 y Accm) son mayores que los de equilibrio.  En enfriamiento (Ar1, Ar3 y Arcm), son menores que los de equilibrio. 2-15 2.3 CLASIFICACIÓN DE LOS ACEROS 2.3. Clasificación de los aceros. 2-16  2.3 CLASIFICACIÓN DE LOS ACEROS a. Composición química.  La composición química y el tratamiento del acero concretan las propiedades y comportamiento en servicio.  Carbono (aleante)  Elemento que define a los aceros.  Fósforo y azufre (impurezas).  Impurezas indeseables que se arrastran del proceso de obtención del acero (materias primas) Deterioran la calidad del acero.  El fósforo se disuelve en la ferrita, endureciéndola, pero deteriora mucho la tenacidad.  El azufre es insoluble en la red de hierro, forma sulfuros deteriorando la plasticidad y tenacidad del acero. 2-17  2.3 CLASIFICACIÓN DE LOS ACEROS  Manganeso y silicio (en pequeñas cantidades).  Se añaden al metal fundido en el proceso de desoxidación de los aceros “calmados” 0,3 - 0,8% Mn, 0,2 - 0,35% Si.  El Mn es fundamental para modificar la composición y comportamiento de los sulfuros que se forman durante la solidificación.  Si la cantidad de manganeso es alta mejora además la templabilidad del acero.  El silicio (aleante o impureza) puede disolverse en la red de la ferrita endurece por solución sólida.  Aluminio. Se añade como desoxidante durante la colada. Puede formar óxidos (que empeoran la calidad).  Otros aleantes: Cr, W, V, Mo, Ni, Co, Cu, Ti, Nb, N… 2-18  2.3 CLASIFICACIÓN DE LOS ACEROS  Distribución de los elementos aleantes en los aceros.  Libres: son insolubles en el hierro (ej: Pb en aceros de fácil mecanizado).  Disueltos en el hierro. Se distingue entre los que se disuelven preferentemente en la austenita (gammágenos), o bien en la ferrita (alfágenos). Salvo el carbono y el nitrógeno (intersticiales), el resto de aleantes se disuelven sustitucionalmente.  Formando óxidos, sulfuros o silicatos. Se trata de reducir al máximo, pues bajan la calidad del acero.  Formando compuestos intermetálicos: debe haber un alto contenido en aleante (se forman en aceros de alta aleación).  Formando carburos. Son elementos situados a la izquierda del Fe en el sistema periódico: Mn, Cr. W, Mo, V, Ti, Zr, Ta y Nb. Hay distintos tipos de carburos, con mayor o menor estabilidad, y con diferentes temperaturas de precipitación y disolución. 2-19  2.3 CLASIFICACIÓN DE LOS ACEROS b. Clasificación de los aceros según la composición. (UNE-EN 10020:2001). b.1. Aceros al carbono.  Únicamente llevan carbono como aleante.  Representan un porcentaje mayoritario dentro del total de aceros utilizados a nivel mundial.  Se utilizan habitualmente con estructura ferrítico-perlítica, mediante recocido o normalizado.  A mayor cantidad de carbono, subirá la dureza, límite elástico y resistencia a tracción, disminuyendo la plasticidad y tenacidad.  Tienen muy mala templabilidad. 2-20  2.3 CLASIFICACIÓN DE LOS ACEROS b.2. Aceros aleados.  Los aleantes se añaden voluntariamente al acero para mejorar sus propiedades, desde algún punto de vista.  Según el efecto que producen:  Elementos de acción estructural Modifican la cinética de las transformaciones.  Elementos de acción sustancial Comunican al acero una propiedad o comportamiento especial.  Algunos grupos de aceros:  Aceros de construcción.  Aceros aleados para temple y revenido.  Aceros para cementación y nitruración.  Aceros para herramientas.  Aceros de muy alta resistencia.  Aceros inoxidables. 2-21 2.4 TRANSFORMACIONES DE LA AUSTENITA 2.4. Transformaciones de la austenita. 2-22  2.4 TRANSFORMACIONES DE LA AUSTENITA a. Microestructura básica de los aceros.  A temperatura ambiente los aceros hipoeutectoides estarán constituidos por una mezcla de granos de ferrita (matriz) y perlita (disperso).  Esta microestructura de equilibrio de un acero hipoeutectoide se obtiene al enfriar desde la fase austenítica hasta una temperatura por debajo de la temperatura eutectoide.  A mayor cantidad de carbono, se formará más perlita mayor dureza, límite elástico y resistencia a tracción, aunque menos plasticidad y tenacidad.  Microestructura de los aceros eutectoides: granos de perlita son más duros pero menos dúctiles que los hipoeutectoides.  Aceros hipereutectoides: granos de cementita y de perlita son los aceros de mayor dureza pero también mayor fragilidad. 2-23  2.4 TRANSFORMACIONES DE LA AUSTENITA Microestructura de equilibrio a temperatura ambiente de dos aceros con distinta cantidad de carbono (constituyentes: ferrita + perlita). 0,6%C 0,2%C 2-24  2.4 TRANSFORMACIONES DE LA AUSTENITA b. Tratamiento de austenización.  Para austenizar completamente un acero hay que:  Calentar la aleación a una temperatura mayor que Ac3 si el acero es hipoeutectoide, o de Acm si es hipereutectoide.  Mantener el acero a esa temperatura el tiempo suficiente para que se produzca la transformación.  Debe elegirse una temperatura de austenización adecuada:  Un poco por encima del punto crítico, pero no demasiado alta.  En los aceros hipoeutectoides la temperatura de austenización suele estar entre 30 y 80ºC por encima de Ac3.  La estructura austenítica se transformará durante el enfriamiento en otras fases, según sea la velocidad de enfriamiento. 2-25  2.4 TRANSFORMACIONES DE LA AUSTENITA  Ensayo dilatométrico de un acero.  Permite determinar los puntos críticos a partir de las contracciones y dilataciones que experimenta una probeta.  Partiendo de una estructura de equilibrio a temperatura ambiente, se calienta una probeta a una velocidad determinada.  Ejemplo para un acero hipoeutectoide: 2-26  2.4 TRANSFORMACIONES DE LA AUSTENITA c. La transformación martensítica.  Con un enfriamiento muy lento la austenita se irá transformando en los constituyentes según el diagrama de equilibrio Fe-C.  Pero si se aplica una gran velocidad de enfriamiento, no habrá difusión y no se podrán realizar las transformaciones del diagrama, ya que todas ellas son de tipo térmico la austenita recurrirá a una transformación de tipo atérmico.  La austenita va a transformarse en otra fase: martensita.  Características de la martensita:  Red tetragonal centrada en el cuerpo, con C en posiciones intersticiales.  Se forma por deslizamiento de planos y maclado en la red austenítica.  Morfología: agujas (placas) de martensita. 2-27 2.4 TRANSFORMACIONES DE LA AUSTENITA Mecanismo de Bain. Martensita. 2-28  2.4 TRANSFORMACIONES DE LA AUSTENITA  La martensita se desarrolla como conjuntos de placas o láminas muy alargadas dentro de la austenita, según determinados planos y direcciones de los granos de austenita.  La transformación de la austenita (compacta) en martensita (no compacta) produce un gran aumento de volumen, tanto mayor cuanto más porcentaje en carbono tenga el acero. 2-29  2.4 TRANSFORMACIONES DE LA AUSTENITA  La martensita es una fase muy dura debido a:  La fuerte distorsión de la red (carbono intersticial creando tensiones, planos y direcciones totalmente distorsionados).  Una cantidad de dislocaciones muy alta.  A mayor cantidad de carbono, mayor será la distorsión de la red de la martensita Mayor dureza de la martensita.  La presencia de otros aleantes no afecta prácticamente nada a la dureza de la martensita.  Puede considerarse que la dureza de la martensita depende casi exclusivamente del contenido en carbono.  El acero con estructura martensítica presentará los mayores valores posibles de dureza, límite elástico y resistencia a tracción, junto a muy baja plasticidad y tenacidad. 2-30  2.4 TRANSFORMACIONES DE LA AUSTENITA  Características de la transformación martensítica.  Es de tipo atérmico no influye el tiempo.  Para que avance la transformación hay que ir disminuyendo continuamente la temperatura del acero.  MS: Temperatura de comienzo de la transformación martensítica.  Mf: Temperatura a la que finaliza la transformación martensítica.  MX: Temperatura a la que se ha producido la formación de un X%. 2-31  2.4 TRANSFORMACIONES DE LA AUSTENITA  Si la temperatura de enfriamiento está por encima de la Mf, queda “austenita retenida”.  Es habitual que Mf esté por debajo de la temperatura ambiente.  Los valores de MS y Mf dependen de la composición del acero.  A mayor cantidad de carbono, más bajas son esas temperaturas.  La presencia de elementos aleantes las hacen descender en la mayoría de los casos. 2-32  2.4 TRANSFORMACIONES DE LA AUSTENITA d. La transformación bainítica.  Transformación bainítica de tipo térmico, pero no se alcanzan las condiciones para que se nucleen las fases de equilibrio (baja capacidad de difusión atómica).  Las bainitas son constituyentes con una estructura interna no homogénea: matriz de ferrita y un disperso de cementita.  Forma generalmente acicular, creciendo según determinados planos y direcciones de los cristales de austenita.  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.  Las propiedades mecánicas de la estructura bainítica son intermedias entre las de una estructura ferrítico-perlítica y las de la martensita. 2-33  2.4 TRANSFORMACIONES DE LA AUSTENITA  Bainitas superiores.  Se forman a temperaturas elevadas, aunque inferiores a las de la transformación ferrítico-perlítica. El carbono tiene cierta movilidad a esas temperaturas.  Microestructura formas aciculares de ferrita con precipitados de cementita en los bordes de las agujas. 2-34  2.4 TRANSFORMACIONES DE LA AUSTENITA  Bainitas inferiores  Se desarrollan a temperaturas más bajas, pero superiores a MS. Su forma es también acicular.  Escasas posibilidades de difusión del carbono los precipitados de cementita se encuentran finamente dispersos por el interior de las agujas de ferrita mayores niveles de dureza y resistencia. 2-35  2.4 TRANSFORMACIONES DE LA AUSTENITA e. Diagramas temperatura-tiempo-transformación. Curvas TTT del acero.  Diagramas de transformación isotérmica: indican la evolución de la descomposición de la austenita, a T constante, en función del tiempo de permanencia a la misma. Son los diagramas TTT más usuales.  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 porcentajes crecientes de austenita transformada:  En la región superior de los diagramas aparece la transformación ferrítico-perlítica. En la zona intermedia, la reacción bainítica. En la zona inferior aparece la transformación martensítica. 2-36  2.4 TRANSFORMACIONES DE LA AUSTENITA Diagrama TTT de transformación isotérmica Diagrama TTT de enfriamiento continuo. Las líneas V1, V2, V3, y V4 corresponden a diferentes velocidades de enfriamiento 2-37  2.4 TRANSFORMACIONES DE LA AUSTENITA f. Influencia de los elementos de aleación sobre las transformaciones de la austenita.  La adición de ciertos elementos de aleación modifica tanto el diagrama Fe-C como los diagramas TTT.  Desde el punto de vista de su acción sobre las transformaciones, pueden dividirse en dos grupos:  Elementos gammágenos: Ni, Mn, Cu, N. Estabilizan la austenita.  Elementos alfágenos: Cr, Mo, V, W, Nb, Al, Si, Ta. Estabilizan la ferrita. 2-38  2.4 TRANSFORMACIONES DE LA AUSTENITA f.1. Acción de los aleantes sobre el diagrama Fe-C.  Los elementos gammágenos:  Bajan las temperaturas A1 y A3.  Disminuyen el porcentaje de carbono del eutectoide.  Los elementos alfágenos:  Suben, con alguna excepción, las temperaturas críticas A1 y A3.  Disminuyen el porcentaje de carbono del eutectoide.  Son elementos formadores de carburos.  Todos ellos, disueltos en la ferrita, la endurecen, mejorando el límite elástico y la resistencia del acero. 2-39  2.4 TRANSFORMACIONES DE LA AUSTENITA f.2. Acción de los aleantes sobre los diagramas TTT.  Los elementos gammágenos:  Retrasan hacia tiempos mayores las transformaciones perlítica y bainítica de forma similar.  Rebajan las temperaturas MS y Mf de la reacción martensítica.  Desplazan a temperaturas más bajas las transformaciones perlítica y bainítica.  El C tiene una influencia similar sobre las curvas TTT. 2-40  2.4 TRANSFORMACIONES DE LA AUSTENITA  Los elementos alfágenos:  Desplazan a mayores temperaturas la reacción perlítica, y a menores la bainítica  Retrasan bastante en el tiempo la transformación perlítica pero poco la bainítica.  Todo ello hace que aparezcan claramente separadas ambas reacciones, con la bainítica más adelantada en el tiempo.  Desplazan a más bajas temperaturas las MS y Mf de la martensita.  El boro, que no pertenece a ninguno de los dos tipos de aleantes, retrasa mucho las transformaciones perlítica y bainítica. 2-41  2.4 TRANSFORMACIONES DE LA AUSTENITA Acción de los elementos aleantes sobre la posición de las curvas TTT 2-42  2.4 TRANSFORMACIONES DE LA AUSTENITA Acero 1: Fe-0,35C-0,6Mn Acero 2: Fe-0,35C-0,6Mn-1,0Ni Acero 3: Fe-0,35C-0,6Mn-1,2Cr-1,0W-0,2Mo T T A3 A3 A1 A1 Ms Ms t 2-43  2.4 TRANSFORMACIONES DE LA AUSTENITA  Influencia del tamaño de grano austenítico en los diagramas TTT.  Tanto la transformación ferrítico-perlítica como la bainítica (transformaciones térmicas) comienzan a nuclearse preferentemente en los bordes de los granos de austenita.  Un tamaño pequeño de los granos de austenita permite una nucleación más rápida de las nuevas fases y las curvas de los diagramas TTT se desplazarán hacia la izquierda. 2-44