ALEACIONES, EQUILIBRIOS Y

TRATAMIENTOS TÉRMICOS

ACEROS AL CARBONO

Equilibrios de fases

Se define a la fase como una porción de materia de un sistema, diferenciada físicamente y separable del resto por medios físicos (por ejemplo, agua y aceite, o agua y hielo, arena y clavos, etc)

Un diagrama de fases es una representación gráfica de las fases en equilibrio a diferentes valores de variables, como por ejemplo presión y temperatura.

El diagrama de fases del agua se divide en tres partes, ya que la misma puede presentarse en los estados líquido, sólido o gaseoso.

Las líneas que separan dos fases denotan equilibrio entre las mismas

Existe un punto en el que coexisten los tres estados, denominado punto triple, y donde coinciden las tres líneas de separación.

Si una substancia existe en más de una forma cristalina,o sea diferentes estados aleotrópicos, en su diagrama de fases aparecen nuevas áreas, nuevas curvas de equilibrio bifásico y nuevos puntos triples

El hierro existe en tres formas cristalinas, que se denominan Feα, que cristaliza en forma bcc, Feγ que lo hace en una celda fcc y Feδ, que también cristaliza en forma bcc

En este diagrama, a la izquierda tenemos el hierro, puro, sin carbono, y que hasta 910°C la forma estable es el Feα. Desde esa temperatura hasta 1.400°C existe el Feγ, y luego hasta 1540, el Feδ

El eje de la derecha corresponde a la formación de un compuesto, el carburo de hierro Fe3C, llamado

cementita; que se destaca por ser un compuesto muy duro pero a la vez es muy frágil.

En el diagrama anterior se ven las composiciones de varias fases, los puntos rojos representan átomos carbono disuelto en austenita, en la estructura real no son visibles

La solubilidad del carbono en el Feα es muy pequeña, su valor es de 0,008% a temperatura ambiente y de 0,02% a 730°C. La solución sólida de carbono en Feα se denomina ferrita. Es una fase relativamente blanda y dúctil

La solubilidad de carbono en el Feγ varía desde 0,8% a 730°C hasta aproximadamente un 2% a 1.130°C, a esta solución se la conoce como austenita

A 730°C y 0,8% de carbono hay un punto invariante, que produce un compuesto llamado perlita, por el aspecto iridiscente que muestran las superficies pulidas de estos aceros, y que es una serie de láminas de ferrita y cementita en forma alternada.. La ferrita le propociona ductilidad y resistencia, mientras que la cementita dureza.

Se consideran aceros a aquellas aleaciones de hierro y carbono en un porcentaje máximo de 2% en peso. Porcentajes mayores dan origen al material llamado fundición, hierro fundido o hierro colado.

Se dividen en aceros con 0,8% de carbono, llamados perlíticos o eutectoides, aceros con menos de 0,8% de carbono o hipoeutectoides; y los que tiene más de 0,8% de carbono o hipereutectoides.

Los aceros hipoeuctectoides contienen una matriz de ferrita con zonas de perlita, mayores a mayor cantidad de carbono

Los aceros eutectoides consisten en la perlita, que como se dijo antes, es una serie de láminas de ferrita y cementita, por lo cual tienen gran resistencia mecánica.

Los aceros hipereutectoides contienen cementita que forma una cáscara muy dura y frágil alrededor de los granos de perlita. Con ellos se fabrican cuchillos, navajas, hojas de sierra, limas, tijeras, etc

Martensita

• Transformación

de FCC a BCC (más volumen!)

• Muy duro pero muy frágil.

Cinética de la transformación. Curvas TTT.

 

Los productos resultantes de la descomposición de la austenita, se muestran en las llamadas curvas TTT (Time Temperature Transformation o transformación tiempo- temperatura).

Esto se debe a que además de los equilibrios de fase, debe tenerse en cuenta el tiempo de difusión de los átomos de carbono

.A: austenita

B: bainita

M:martensita

P: perlita

A la izquierda se indica la existencia de austenita, por arriba de los 730°C su estabilidad es indefinida, pero a temperaturas inferiores, se descompone. Esta descomposición comienza cuando se llega a la curva de la izquierda y culmina al tocar la curva de la derecha.

Cuando la transformación se realiza a temperatura elevada, se obtiene una perlita de tamaño de grano grande o perlita gruesa. A una temperatura un poco menor, se obtiene una estructura con grano más chico o perlita fina.

Temperaturas aún menores producen una estructura llamada bainita, que es una perlita de tamaño aún menor.

Como consecuencia, la fase más blanda y dúctil será la perlita gruesa, y al ir disminuyendo el tamaño del grano se hace más dura y menos dúctil. La bainita es una fase de gran dureza pero que, a diferencia de la martensita no es frágil, de modo que es una estructura bastante deseada.

Slow Cooling

Time in region indicates amount of microconstituent!

Medium Cooling

Cooling Rate, R, is Change in Temp / Time °C/s

Fast Cooling

This steel is very hardenable… 100% Martensite in ~ 1 minute of cooling!

En el diagrama anterior se observan varios tratamientos típicos en los aceros:

a)     Recocido total (Annealing): consiste en un enfriamiento lento, donde la temperatura se alcanza en un día aproximadamente, se aplica a aceros tratados en frío y que sirve para eliminar la energía almacenada en esas operaciones. Normalmente puede hacerse dejando que el acero se enfríe dentro del horno. Se obtiene una estructura de perlita gruesa, dúctiles y relativamente blandos.

Normalizado: el enfriamiento se hace llegando a temperatura ambiente en 2 a 3 hs., sacando el acero del horno y dejando que el acero se enfríe al aire. Tienen estructura de perlita fina, y son más duros que los recocidos

Temple: se obtiene por un enfriamiento térmico brusco, y según la velocidad de este enfriamiento se obtienen estructuras que van desde una totalmente martensítica, a una mezcla de martensita y perlita fina. Los aceros tratados de esta forma son duros y resistentes, pero frágiles y poco dúctiles