diagrama de hierro carbono

Departamento de Tecnología.

Mª Jesús Saiz

IES Nuestra Señora de la Almudena

RESUMEN TEMA 3: ALEACIONES Fe-C, PROPIEDADES Y CLASIFICACIÓN 1.- Estados alotrópicos del Hierro Fe) Según las condiciones de temperatura, el hierro puede presentar diferentes estados, con mayor o menor capacidad para disolver el carbono. α:: cristaliza hasta una temperatura de 768 ºC en la red CCB. No disuelve Hierro α prácticamente al carbono. Es magnético. magnético.

Hierro β: cristaliza entre 768 ºC- 910 ºC en la red CCB. No es magnético. Tiene mayor volumen (mayor distancia entre átomos. átomos.

Hierro γ: γ: cristaliza entre 910 ºC- 1400 ºC en la red CCF. Disuelve más carbono (hasta un 2, 11 %). Es no magnético magnético Hierro δ: δ: cristaliza entre 1400 ºC- 1539 ºC en la red CCB. Es magnético. Muy parecido al hierro α. Poca aplicación aplicación

2.- Formas de encontrar el carbono en las aleaciones férreas Combinado: en forma de carburo de hierro ( Combinado: hierro (Fe3C = cementita cementita)) Disuelto Disuelto:: formando soluciones sólidas de inserción con la austenita austenita (Fe γ) γ) o ferrita (Fe

α) Libre: formando formando nódulos o láminas de grafito, cuando el porcentaje de carbono es superior Libre: al 6,67% 6,67%

3.- Diagrama Fe-C Los aceros son aceros son aleaciones Fe-C, donde el carbono está en proporciones del 0,03 – 2,1 – 2,1 %.

Son forjables.

Las fundiciones son fundiciones son aleaciones Fe-C, donde el carbono está en proporciones del 2,1 – – 6,67%. Son no forjables.

El 6,67% C es la máxima proporción de carbono que se puede disolver. Al compuesto con este porcentaje 6,67% C, se le llama cementita. cementita . (Fe3C)

Constituyentes de las aleaciones FE-C Ferrita: prácticamente Fe α, tiene muy poca solubilidad ya que apenas disuelve carbono Ferrita: (máxima solubilidad es 0,02 % C). Cristaliza en la red CCB. Es el más blando y dúctil constituyente de los aceros. Es magnético. Se emplea en la fabricación de imanes permanentes, en núcleos de inductancias y transformadores. .

Bobinado de ferrita para uso como transformador de corriente eléctrica C

1

Departamento de Tecnología.

Mª Jesús Saiz

IES Nuestra Señora de la Almudena

Cementita: Fe3C, tiene un 6;67% de carbono. La estructura cristalina es muy compleja, es del tipo ortorrómbica con 12 átomos de hierro y 4 átomos de carbono por celda.

Es el más duro y frágil constituyente de los aceros. Es magnético hasta los 210ºC. 210ºC. La cementita se llama primaria primaria cuando se forma desde la fase líquida y secundaria secundaria si si procede de austenita durante el enfriamiento lento. Y terciaria si se desprende de la ferrita al enfriarse por debajo de 910 ºC. Perlita: α + Fe + Fe3C, es la mezcla eutectoide de ferrita y cementita (86,5% de ferrita y 13,5% de cementita). Tiene propiedades intermedias. intermedias.

A 723ºC la solución solución sólida austenita or origina igina en el enfriamiento enfriamiento dos nuevas nuevas fases sólidas (a esto se le llama reacción eutectoide) Austenita γ

Ferrita α + cementita Fe3C 86,5% 13,5% perlita

Austenita: solución sólida de inserción de carbono en Fe γ, con un máximo porcentaje de carbono de 2,11%. Cristaliza Cristaliz a en la red CCF Se forma con temperaturas superiores a 723ºC. Es blando, resistente, tenaz, no magnético y muy denso. denso.

C

Ledeburita: γ + Fe + Fe3C, es la mezcla eutectica de austenita y cementita (52% de austenita y 48% de cementita). Se da con un porcentaje de carbono del 4,3 %. Es un constituyente de las fundiciones. fundiciones.

A 1130 ºC la aleación líquida, líquida, solidifica fo formando rmando u un n sólido con dos fases (reacción (reacción eutéctica) eutéctica) Líquido

Austenita γ 48 %

+ cementita Fe3C 52%

ledeburita Es estable hasta los 723ºC, descomponiéndose a partir de esta temperatura en ferrita y cementita Martensita: Se obtiene por enfriamiento rápido de la austenita. A velocidades de enfriamiento bajas o moderadas, los átomos de C pueden difundirse hacia afuera de la estructura austenítica. De este modo, los átomos de Fe se mueven ligeramente y se da una transformación de Fe γ en Fe α. Es una solución sólida sobresaturada de carbono en Fe α. α.

Es el constituyente principal de los aceros templados. Tras la cementita, es el constituyente más duro de los aceros.

La martensita se presenta en forma de agujas y cristaliza en la red tetragonal tetragonal

c

b

2

a

Departamento de Tecnología.

Mª Jesús Saiz

IES Nuestra Señora de la Almudena

Diagrama FE-C Los cambios de estado del hierro y el acero se verifican cuando los cambios de temperatura son lentos, según se representa en el diagrama hierro-carbono.

Línea de liquidus

Tª (ºC)

1539

L

1500 1300

L+ γ

L+ Fe C

γ

3

γ + Fe3C

1100

1130

Ledeburita 910

900

γ + Fe3C

γ+α γ+α

α

L = líquido γ = austenita austenita Fe3C = cementita α = ferrita ferrita

700

Línea de solidus

723

α + Fe3C Perlita

500

α + Fe3C

300 0,89 1 Hipoeutectoides

2,1

4,3

2

3

5

6

7

%C

Hipereutéctico

Hipoeutéctico

Hipereutectoides

Fundiciones

Aceros

-

4

6,67

En la zona L hay L hay una sola fase, líquida y homogénea.

En la zona L+γ hay L+γ hay dos fases, una de líquido y otra sólida austenita.

En la zona γ, γ, hay una fase sólida formada por austenita.

En la zona α, α, hay una fase sólida formada por ferrita.

En la zona L+Fe3C hay dos fases, una de líquido y otra de sólido cementita.

En la zona γ+ Fe3C hay un sólido formado por dos fases austenita y cementita.

En la zona α+ α+ Fe3C hay un sólido formado por dos fases ferrita y cementita.

Si dibujamos el diagrama hierro-carbono con todos sus constituyentes, queda de la siguiente forma:

Tª (ºC)

Línea de liquidus

1539

Liquido Fe-C Líquido + austenita

austenita austenita + ferrita´ 910

Líquido + cementita Ledeburita

austenita + ledeburita

1130

cementita + ledeburita

Línea de solidus

austenita + cementita

723 ferrita

723 Perlita ferrita´+ perlita

cementita + perlita

cementita + perlita

0,89 Hipoeutectoides

4,3

Hipereutectoides

Aceros

cementita + perlita

3

Hipoeutéctico

6,67 Hipereutéctico

Fundiciones

%C

Departamento de Tecnología.

IES Nuestra Señora de la Almudena

Mª Jesús Saiz

Dependiendo de la zona la austenita y la cementita pueden ser primarias (proeutécticas) o secundarias secundari as (eutécticas) -

En los aceros hipoeutéctoid hipoeutéctoides es (<0,89%C) existen varias zonas según vamos bajando la temperatura Fase líquida 2 fases: Líquido y sólido austenita Fase sólida austenita 2 Fases sólidas donde el hierro γ se transforma progresivamente en hierro α α A 723ºC toda la austenita se transforma en perlita y cementita 











-

2 Fases sólidas de ferrita primaria y perlita En los aceros eutéctoides (0,89%C) existen varias zonas según vamos bajando la temperatura Fase líquida 2 fases: Líquido y sólido austenita Fase sólida austenita A 723ºC toda la austenita se transforma en perlita En los aceros hipereutéctoides (0,89% - 2,11%C) existen varias zonas según vamos bajando la temperatura Fase líquida 2 fases: Líquido y sólido austenita Fase sólida austenita 2 Fases sólidas austenita y cementita A 723ºC toda la austenita se transforma en perlita 2 Fases sólidas de perlita y cementita En las fundiciones hipoeutécticas (2,11% - 4,3%C) existen varias zonas según vamos bajando la temperatura Fase líquida 2 fases: Líquido y sólido austenita 2 Fases sólidas austenita primaria y ledeburita A 723ºC toda la austenita se transforma en perlita 2 Fases sólidas de perlita y cementita En las fundiciones eutéctica eutécticas s (4,3%C) existen varias zonas según vamos bajando la temperatura Fase líquida A 1130ºC se produce la transformación transformació n de la fase líquida en ledeburita.

A 723ºC toda la austenita eutéctica se transforma en perlita En las fundiciones hipereutécti hipereutécticas cas (>4,3%C)existen (>4,3%C)exist en varias zonas según vamos bajando la temperatura Fase líquida 2 fases: Líquido y sólido cementita 







-













-











-







-







 

2 Fases sólidas ledeburita y cementita primaria A 723ºC toda la austenita eutéctica se transforma en perlita 2 Fases sólidas de perlita y cementita

Para calcular la composición de cada una de las fases fases se emplea la regla de la horizontal. Y horizontal.

Y para calcular la cantidad de cada fase se fase se emplea la regla de la palanca palanca..

4.- Propiedades de los aceros Al disminuir el %C: dúctiles, %C: dúctiles, maleables, tenaces, soldables Al aumentar el %C %C:: resistentes, duros, frágiles.

Son oxidables y corroibles.

Densidad = 7,6 – 7,6 – 7,8 7,8 g/cm3

4

Departamento de Tecnología.

IES Nuestra Señora de la Almudena

Mª Jesús Saiz

5.- Clasificación de los aceros En función del porcentaje de C: Aceros hipoeutectoides: del 0,03 – 0,03 – 0,89 0,89 %.C %.C Aceros eutectoides: 0,89 %.C %.C Aceros hipereutectoides: del 0,89 – 0,89 – 2,1 2,1 %.C %.C En función de su constitución externa: Aceros perlíticos: perlíticos: constituidos después del enfriamiento por perlita y ferrita, o perlita y cementita, dependiendo si el porcentaje de C es mayor o menos del eutectoide.

Aceros martensíticos: formados en su mayor parte por martensita. En realidad son aceros perlíticos, cuya velocidad de temple es muy lenta.

Aceros austeníticos: constituidos por austerita. Se reconocen porque no son magnéticos.

Aceros ferríticos: formados por ferrita. Son aceros de bajo contenido en C. En función de su composición: Aceros al C: aleación de Fe – Fe – C C y bajo porcentaje de otros elementos (según las normas).

– C e impurezas. Además llevan de forma voluntaria otros Aceros aleados: aleación de Fe – elementos que modifican sus propiedades.

Aceros inoxidables: inoxidables: Cr, Ni.



Acero galvanizado: galvanizado: Zn



corte (muy duros): duros): Wf Aceros de corte Aceros de alta dureza: Mo, Mo, Cr, Co Aceros resistentes resistentes a la fatiga: fatiga: Vanadio

 

6.- Propiedades de las fundiciones Son aleaciones férricas con un porcentaje de C mayor del 2,11%. No son forjables. forjables. Funden a temperatura inferior a los aceros por lo que se moldean con facilidad.

No son dúctiles, no maleables, sueldan con dificultad.

Menor densidad = 7,2 – 7,2 – 7,68 7,68 g/cm3

grafito (carbono libre formando láminas o nódulos).

Tienen tendencia a la formación de grafito

7.- Clasificación de las fundiciones En función del porcentaje de C: Fundiciones hipoeutéctica: del 2,11 – 2,11 – 4,3 4,3 %.C %.C Fundiciones oeutécticas : 4,3 4,3 %.C %.C Fundiciones hipereutéctica del 4,3 – 4,3 – 6,67 6,67 %.C %.C En función de su constitución constitución Fundición gris: 2,5 – – 4 4 % C gris: 2,5 El grafito aparece en forma de escamas o láminas dentro de la ferrita o perlita.

Son frágiles y poco resistentes a la tracción, pero resistentes a compresión. Amortiguan muy bien las vibraciones. Alta resistencia al desgaste.

Se utiliza en bloque de motores, tambores de freno, cilindros y pistones de motores.

5

Departamento de Tecnología.

IES Nuestra Señora de la Almudena

Mª Jesús Saiz

Fundición esferoidal: Son fundiciones grises adicionando en estado líquido pequeñas cantidades de magnesio y/o cesio. El grafito aparece de forma esferoidal.

Son más resistentes y dúctiles que las grises. Tienen propiedades mecánicas similares al acero.

Se suele utilizar para la fabricación de válvulas y engranajes de alta resistencia, cigüeñales y pistones Fundición blanca y maleable: Se parte de fundiciones bajas en C y C y con un porcentaje menor del 1% de Si, se aumenta la velocidad de enfriamiento. Se logra que la mayoría del carbono esté como cementita y no como grafito.

Muy dura y muy frágil. Muy resistente al desgaste.

Aplicaciones: engranajes, engranajes, cajas de dife diferencial. rencial.

6