ALEACIONES FERROSAS (HIERRO-CARBONO)

1.- Propiedades del hierro

El hierro técnicamente puro (con menos de 0.008 % de C), es un metal blanco azulado, dúctil y maleable, cuyo peso específico es 7.87 g/cm3. Funde de 1536 °C a 1539 °C, reblandeciéndose antes de llegar a esta temperatura, lo que permite forjarlo y moldearlo con facilidad. La temperatura de fusión baja en cuanto esta aleado con C (ej. La fundición de 4.3 % de C funde a 1145 °C). El hierro es un buen conductor de la electricidad y se imanta fácilmente.

2.- estructura cristalina del hierro puro.

Si se enfría lentamente hierro puro fundido (liquido) se solidifica a la temperatura constante de 1539 °C (Fig. xxx). Si se sigue descendiendo, se observa a los 1390 °C una detención en el descenso de temperatura, a los 900 °C se produce otra detención y, por, otra a los 750 °C.

Las temperaturas citadas se denominan temperaturas criticas y también puntos criticos, y se representan por Ar4 (1390 °C), Ar3 (900 °C) y Ar2 (750 °C).

Si en lugar de enfriarse se calienta el hierro puro desde la temperatura ambiente, se observaran las mismas anomalias, pero a temperaturas ligeramente superiores: 780 °C (Ac2), 920 °C (Ac3) y 1410 °C (Ac4). Las temperaturas al enfriar son designados con el subindice r, del francés <<refroidissenent>> (enfriamiento), y las obtenidas al calentar, con el subíndice c, del francés <<chauffage>> (calentamiento).

Las diferencias entre las temperaturas de calentamiento y enfriamiento son tanto mayores cuanto mayor es la velocidad en que se desarrollan los dos procesos, y se explica como la resistencia que oponen los sistemas cristalinos a transformarse.

Si el calentamiento o el enfriamiento se hiciese a velocidad infinitamente lenta, se obtendrían otras temperaturas comprendidas entre las Ac y las Ar, que se han denominado A sin nigun subíndice, y que serian las mismas para el calentamiento que para el enfriamiento. Para el hierro puro son A2= 768°C, A3=910°C y A4=1400 °C, y marcan los puntos de transformación de los cristales de hierro en otras variedades alotrópicas.

Asi, hasta el punto A2 (768 °C), el hierro cristaliza en la variedad α. De A2 a A3 (de 768 °C a 910 °C), el hierro cristaliza en la variedad β. De A3 a A4 (910 °C a 1400 °C), en la variedad γ, y de A4, hasta la fusión, a 1539 °C, cristaliza en la variedad δ.

3.- variedades alotrópicas del hierro puro.

El hierro cristaliza en la variedad α hasta la temperatura de 768 °C (fig. 2X).

La red espacial a que pertenece es la cubica centrada, es decir, con un átomo en cada vértice de un cubo y otro en el centro. La distancia entre átomos es de 2.86 Å. El retículo elemental, en realidad, esta formado por 2 átomos: uno en el centro del cubo y otro en un vértice, ya que cada vértice es común a otros ocho cubos; por tanto, la parte de atomo de vértice correspondiente a cada cubo es 1/8, y en total, de los ocho vértices, le corresponderán a cada cubo 8 x 1/8= 1. El hierro α es magnético.

La variedad β existe de 769 °C a 910 °C. Cristalográficamente es igual a la α, y únicamente la distancia entre átomos (parámetro) es algo mayo: 2.9 Å a 800°C, y 2.905 Å a 900°C. Este aumento de parámetro puede ser atribuido a la dilatación normal por el aumento de temperatura, y la única variación que se observa con respecto al hierro α es el no ser magnética, algunos lo llamas a esta variedad como hierro α no magnético.

(al punto de transformación del hierro α magnético en no magnético se denomina punto Curie).

La variedad γ se presenta de 910 °C a 1400 °C. cristaliza en la red cubica centrada en las caras, o sea, con los atomos dispuestos en los vértices del cubo y además centrados en las caras. La distancia entre parámetros es de 3.6 Å a 910 °C, llegando hasta 3.68 a 1400 °C. esta formado el cubo elemental por 4 atomos: una de vértices (8 x 1/8 = 1) y tres caras (6x1/2 = 3), puesto que cada cara es común a dos cristales.

El cubo de hiero gamma tiene más volumen que el de hierro alfa, y por tanto, hay menos cubos en la misma masa de hierro; pero como el cubo de hierro gama tiene más átomos que el cubo de hierro alfa, el número total de átomos en masas del mismo volumen de hierro es el mismo, sea hiero alfa, sea hierro gamma.El hierro gama es amagnético es decir no es magnético.La variedad delta se inicia a los 1400 °C, observándose entonces una reducción en el parámetro hasta 2.93 A° y el retorno al cubo con átomos centrados en el cuerpo, es decir, a un modelo igual al hierro alfa, que también es magnético.A partir de 1539 °C se inicia la fusión del hierro puro. 4.- Aleaciones hierro-carbono.Están caracterizadas por 3 factores:

Composición Química Constitución Estructura

Composición de las aleaciones hierro-Carbono

A la temperatura ambiente, todo el carbono que contiene las aleaciones hierro carbono está en forma de carburo de hierro (Fe3C).A temperaturas más elevadas, se disocia el carburo de Hierro y queda el Carbono en su totalidad formando solución sólida en el hierro gama (austenita).Las aleaciones con contenido de carbono comprendido entre .10 y 1.76 % tienen características muy bien definidas y se denominan acero.Los aceros de cualquier proporción de carbono dentro de los límites citados pueden alearse con otros elementos , y formando los denominados aceros aleados o especiales. Si la proporción de Carbono es superior a 1.76% las aleaciones hierro carbono se denominan fundiciones siendo la máxima proporción de Carbono aleado del 6.67 % (cementita pura) una característica que distingue a los aceros de las fundiciones es es que los primeros son forjables mientras que las fundiciones no.Tanto los aceros como las fundiciones obtenidas industrialmente están impurificados por otros elementos como el azufre, fósforo, etc.

CONSTITUCION DE LAS ALEACIONES HIERRO-CARBONO

En estas aleaciones pueden encontrarse hasta 11 constituyentes que se denominan:

Ferrita, cementita, perlita, austenita, martencita, troostita, sorbita, vainita, ledeburita, steadita y grafita cuyas características son las siguientes:

FERRITA: BLANDO DÚCTIL

Cristaliza en la red cúbica centrada Tiene dureza de 90 brinell Es magnética

FERRITA

Es una solución sólida intersticial de carbono en una red cúbica centrada en el cuerpo de hierro. Admite hasta un 0,021 % C en solución a la temperatura eutectoide. Es el constituyente más blando del acero. Su resistencia es de 28 Kg/mm2 (2,7 MPa). Es ferromagnético siendo su temperatura de Curie 768ºC. A partir de esta temperatura hasta los 910ºC su comportamiento es paramagnético, por lo que antigua y equivocadamente se le creyó otra fase denominándosele hierro beta. La morfología y estructura granular de la ferrita es muy variada pudiéndose encontrar hasta 24 términos descriptivos de la misma. Sin embargo, son dos las morfologías que conviene destacar (Fig. 1): Morfología equiaxial y (fig. 2): estructura de Widmanstätten.  

Fig. 1, x100 Fig. 2, x100

La morfología equiaxial corresponde a granos poligonales de ejes aproximadamente iguales, que resultan a veces atacados diferentemente en función de su orientación cristalográfica respecto a la superficie de observación.

En la estructura de Widmanstätten un enfriamiento rápido desde altas temperaturas obliga a un crecimiento de la ferrita según ciertas direcciones preferenciales, resultando granos alargados en dichas direcciones del grano de austenita previo.

CEMENTITA:

Fe3C( 6.67 de Carbono y 93.33 % de hierro) Alcanza una dureza brinell de 700 Es magnética hasta los 210 °C después de esta temperatura pierde

magnetismo Cristaliza en la red ortorrómbica

PERLITA: Compuesto por 86.5 % de ferrita, 13.5 % de Cementita. Tiene una dureza de 200 Brinell. Su nombre se debe a las irisaciones que adquiere al iluminarlo parecidas a la de las

perlas. Cada grano de perlita está formado por placas alternadas de cementita y ferrita. Esta

estructura laminar se observa en la perlita formada por ernfriamiento muy lento (Ver la figura 26.4. Si el enfriamiento es brusco la estructura es más borrosa y se denomina perlita sorbitica . Si la perlita laminar se calienta durante algún tiempo a una temperatura menor a la de 723°C, la cementita adopta la forma de glóbulos incrustados en la masa de ferrita, denominándose así perlita globular.

AUSTENITA:

Está formado por una solución sólida, por inserción, de Carbono en hierro gamma

La proporción de carbono disuelto varía desde el 0 a 1.76 % En los caeros al carbono, es decir, sin ningún otro elemento aliado

empieza a formarse la austenita a la temperatura de 723°C, y a partir de la temperatura crítica superior (920°C) La totalidad de la masa de acero está formada por cristales de austenita.

Tiene una dureza Brinell de 300. No es magnética Está formada por cristales cúbicos de hierro gamma, con los átomos

de carbono intercalados en las aristas y en el centro ver figura 26.7

MARTENSITA: Es una solución sólida sobresaturada de carbono en hierro alto. Se obtiene por enfriamiento muy rápido de los aceros. Se presenta en forma de aguja ver la fig. 26.9 y cristaliza en la red tetragonal

en lugar de cristalizar en la red cúbica centrada que es la del hierro alfa. Su dureza varía de 50 a 68 rockwell-C. Es magnético

TROOSTITA (FIG. 26.10): Se produce por transformación isotérmica de la austenita entre las

temperaturas de 500 a 600 °C . Se presenta en forma a de nódulos compuestos radiales de cementita

sobre ferrita, parecidas a la de la perlita pero más finas. Su dureza es de unos 450 brinell

SORBITA (Fig. 26.11): Se producen por transformación isotérmica de la austenita a temperaturas

comprendidas entre 600 y 650 °C. Se presenta formando laminilla aún más finas que las de la troostita y también

similares a las de la perlita. Tiene una dureza de unos 350 brindell.

BAINITA:

Se forma en la transformación isotérmica de la austenita, entre temperaturas de 250 y 550 °C.

LEDEBURITA: Es constituyente de las fundiciones Es eutéctica (mezcla de componentes que pasan sin descomposición y

segregación del estado sólido al líquido) Se forma al enfriar la fundición líquida de 4.3 % de Carbono desde 1130 °C

hasta 723 °C . Contiene 56% de cementita, 48 % de la austenoide, 1.76% de Carbono. El contenido total de Carbono es de 4.3 %.

STEADITA: Es de naturaleza eutéctica , que aparece en las fundiciones de más de ,15 % de

fósforo. Es muy dura y frágil y funde a 960 °C

ESTRUCTURA DE LAS ALEACIONES HIERRO-CARBONO

Están formadas por 3 clases de estructuras:Estructura cristalina. No es uniforme si no que varía que algunos constituyentes que esta formada la aleación, estos varían con la composición y la temperatura. Depende en gran parte del estado alotrópico en que se encuentra el hierro que forma parte del constituyente.Estructura micrográfica. El elemento fundamental de esta estructura es el grano, que en los aceros tienen una gran importancia, por lo que deb cuidarse su formación y evolución y su tamaño en los tratamientos térmicos . El grano de los aceros crece a partir de temperaturas comprendidas entre 350 y 1000 °C. Las propiedades del acero son, peores cuanto mayor es el grano, excepto la maquinabilidad, que se favorece con el tamaño del grano (Cuadro 26.1).

ESTRUCTURA MACROGRÁFICA. Está formada por la fibra y depende de las impurezas que contenga el acero y la forja a que sean sometidos

Aceros especiales.

Aceros para herramientas: Mediante un tratamiento térmico de templado y revenido

obtienen gran dureza y en su mayoría son al alto carbono. Se aplican en donde se

necesite una combinación de gran resistencia, dureza, tenacidad y resistencia a la

temperatura, también en herramientas de corte para operaciones de maquinado.

La templabilidad y estabilidad a alta temperatura de los aceros para herramientas son

mejorados por los elementos de aleación.

Aceros de fase dual: Tiene ferrita y martensita dispersa uniformemente, lo que crea

límites elásticos, como son a bajo carbono, no tienen los elementos de aleación

necesarios para una buena templabilidad, pero en el proceso de templado al calentar

austenita eleva el carbono y se transforma en martensita.

Aceros níquel, de carbono, muy bajo: Para producir una martensita blanda son templado

y austentizados. Muchos se recubren para tener protección contra la corrosión, están

altamente aleados.

Aceros inoxidables

Aceros inoxidables ferríticos: Tienen buena resistencia mecánica, tienen estructura CC,

ductilidad moderada, son resistentes a la corrosión, conformabilidad aceptable.

Aceros inoxidables martensíticos: Bajas en cromo, esto permite que varíe el nivel de

carbono, lo que produce martensita con diferentes durezas. Al combinar dureza,

resistencia mecánica y resistencia a la corrosión, genera un material de muy alta calidad.

Aceros inoxidables austeníticos: La austenita tiene como estabilizador al níquel, este

hace que crezca el tamaño del campo de austenita y casi elimina la ferrita,

prácticamente todo es de austenita. Tienen buena ductilidad, conformabilidad y

resistencia a la corrosión. No son ferromagnéticos.

http://www.mitecnologico.com/Main/AleacionesFerrosasYNoFerrosas

http://www.mitecnologico.com/iem/Main/AleacionesFerrosas

http://html.rincondelvago.com/aleaciones-ferrosas.html

Clasificación  del Acero

Los diferentes tipos de acero se clasifican de acuerdo a los elementos de aleación que producen distintos efectos en el Acero :

1) Aceros al Carbón:

Más del 90% de todos los aceros son aceros al carbono. Estos aceros contienen diversas cantidades de carbono y menos del 1,65% de manganeso, el 0,60% de silicio y el 0,60% de cobre. Entre los productos fabricados con aceros al carbono figuran máquinas, carrocerías de automóvil, la mayor parte de las estructuras de construcción de acero, cascos de buques, somieres y horquillas.

2) Aceros Aleados:

Estos aceros contienen un proporción determinada de vanadio, molibdeno y otros elementos, además de cantidades mayores de manganeso, silicio y cobre que los aceros al carbono normales. Estos aceros de aleación se pueden subclasificar en :

I. Estructurales: Son aquellos aceros que se emplean para diversas partes de máquinas, tales como engranajes, ejes y palancas. Además se utilizan en las estructuras de edificios, construcción de chasis de automóviles, puentes, barcos y semejantes. El contenido de la aleación varía desde 0,25% a un 6%.

II. Especiales: Los Aceros de Aleación especiales son los aceros inoxidables y aquellos con un contenido de cromo generalmente superior al 12%. Estos aceros de gran dureza y alta resistencia a las altas temperaturas y a la corrosión, se emplean en turbinas de vapor, engranajes, ejes y rodamientos.

3) Acero de Baja Aleación Ultrarresistentes:

Esta familia es la más reciente de las cinco grandes clases de acero. Los aceros de baja aleación son más baratos que los aceros aleados convencionales ya que contienen cantidades menores de los costosos elementos de aleación. Sin embargo, reciben un tratamiento especial que les da una resistencia mucho mayor que la del acero al carbono. Por ejemplo, los vagones de mercancías fabricados con aceros de baja aleación pueden transportar cargas más grandes porque sus paredes son más delgadas que lo que sería necesario en caso de emplear acero al carbono. Además, como los vagones de acero de baja aleación pesan menos, las cargas pueden ser más pesadas. En la actualidad se construyen muchos edificios con estructuras de aceros de baja aleación. Las vigas pueden ser más delgadas sin disminuir su resistencia, logrando un mayor espacio interior en los edificios.

4) Aceros Inoxidables:

Los aceros inoxidables contienen cromo, níquel y otros elementos de aleación, que los mantienen brillantes y resistentes a la herrumbre y oxidación a pesar de la acción de la humedad o de ácidos y gases corrosivos. Algunos aceros inoxidables son muy duros; otros son muy resistentes y mantienen esa resistencia durante largos periodos a temperaturas extremas. Debido a sus superficies brillantes, en arquitectura se emplean muchas veces con fines decorativos. El acero inoxidable se utiliza para las tuberías y tanques de

refinerías de petróleo o plantas químicas, para los fuselajes de los aviones o para cápsulas espaciales. También se usa para fabricar instrumentos y equipos quirúrgicos, o para fijar o sustituir huesos rotos, ya que resiste a la acción de los fluidos corporales. En cocinas y zonas de preparación de alimentos los utensilios son a menudo de acero inoxidable, ya que no oscurece los alimentos y pueden limpiarse con facilidad.

Clasificación de los Aceros Inoxidables:

Los aceros inoxidables no son indestructibles, sin embargo, con una selección cuidadosa, sometiéndolos a procesos de transformación adecuados y realizando una limpieza periódica, algún integrante de la familia de los aceros inoxidables resistirá las condiciones corrosivas y de servicio más severas.

Aceros Inoxidables Martensíticos:

Son la primera rama de los aceros inoxidables, llamados simplemente “al Cromo”, y fueron los primeros desarrollados industrialmente. Tienen un contenido de Carbono relativamente alto de 0.2 a 1.2% y de Cromo de 12 a 18%.

Propiedades Básicas: Elevada dureza y gran facilidad de maquinado, resistencia a la corrosión moderada.

Aceros Inoxidables Ferríticos:

También se consideran simplemente “al Cromo”, su contenido varia de 12 a 18%, pero el contenido de Carbono es bajo (< 0.2%).

Propiedades Básicas: Buena resistencia a la corrosión aunque su dureza no es muy alta.

Los Aceros Inoxidables Austeníticos.

Son los más utilizados por su amplia variedad de propiedades.

Se obtienen agregando Níquel a la aleación, por lo que la estructura cristalina del material se transforma en austenita, y de aquí adquieren el nombre. El contenido de Cromo varia de 16 a 28%, el de Níquel de 3.5 a 22% y el de Molibdeno 1.5 a 6%.

.Propiedades Básicas: Excelente resistencia a la corrosión, excelente factor de higiene - limpieza, fáciles de transformar, excelente soldabilidad, no se endurecen por tratamiento térmico, se pueden utilizar tanto a temperaturas criogénicas como a elevadas temperaturas.