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Diagrama Hierro-Carbono

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Marcela Serrano Sandoval

on 16 October 2014

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Diagrama Hierro-Carbono
El hierro es el metal mas utilizado por el hombre en los últimos tres mil años .Esta supremacía se debe a la abundancia relativa de este elemento en la corteza terrestre, a la posibilidad del hierro de formar aleaciones, sobre todo con el carbono, de gran utilidad (acero aleaciones) y a la posibilidad de modificar las propiedades de estas aleaciones por tratamientos térmicos.
FUNDAMENTOS
Los fundamentos de los tratamientos térmicos radican en las condiciones de equilibrio estable y metaestable, condiciones ubicadas en la microestrucura y en los diagramas de equilibrio termodinámico de los metales y de las aleaciones.
Los fundamentos de los tratamientos térmicos del acero se basan en el diagrama hierro-carbono. La importancia de este diagrama radica en el gran tonelaje de acero producido y al profundo conocimiento que actualmente se tiene de este diagrama.
Linea critica de transformación
La obtención de este diagrama sugiere la clasificación de la aleación en hierro, acero, y fundición. El acero corresponde a la ferrita, disolución solida de hierro a y pequeñas cantidades de carbono: 0.025 % a 723 ° C y 0.008 % a la temperatura ambiente. Si la aleación contiene un porcentaje en carbono hasta el 2% se le denomina acero. Las aleaciones que contienen mayor porcentaje en carbono se denominan fundiciones.
Punto eutectico
Eutéctico para una concentración de 4,3% de carbono y a 1130ºC. Por debajo de esa temperatura es imposible encontrar ninguna aleación en estado líquido, es el punto en que se produce el cambio de estado para una única temperatura, formándose el constituyente ledeburita, característica del eutéctico.

Es aquella que funde a una temperatura constante en lugar de un intervalo de temperaturas
Bibliografía
AUSTENITA
Es el constituyente más denso de los aceros y está formado por una solución sólida por inserción de carbono en hierro gamma. La cantidad de carbono disuelto, varía de 0.8 al 2 % C que es la máxima solubilidad a la temperatura de 1130 °C.
La austenita está formada por cristales cúbicos centrados en las caras, con una dureza de 300 Brinell, una resistencia a la tracción de 100 kg/mm2 y un alargamiento del 30 %, no es magnética.
Estructuras en el diagrama hierro-carbono
Las principales fases que se identifican en el diagrama hierro-carbono solas las siguientes:

Austenita
Ferrita
Cementita
Perlita
Ledeburita
Clasificación de los aceros según su contenido de carbono.
Curva de solidificación
Procesos de alotropía
Punto eutectoide
Eutectoide para una concentración de 0,89% de carbono y a 723ºC. Por debajo de esta temperatura es imposible encontrar austenita como microconstituyente de los aceros, en ese punto se forma el constituyente del eutectoide, que es la perlita.

http://e-ducativa.catedu.es/44700165/aula/archivos/repositorio/1000/1092 html/2_diagrama_de_aleacin_hierrocarbono.html
http://www.ecured.cu/index.php/Austenita
http://www.uam.es/docencia/labvfmat/labvfmat practicaspractica4/fases%20del%20acero.htmTratamientos térmicos para no mecánicos. M. en I. Felipe Díaz del Castillo Rodríguez. Páginas: 8 y9. Fuente: http://olimpia.cuautitlan2.unam.mx/pagina_ingenieria/mecanica/mat/mat_mec/m5/tratamientos.pdf
Pere Molera Solá (1991).Tratamientos térmicos de los metales, España.
En química, se denomina alotropía a la propiedad que poseen determinados elementos químicos de presentarse bajo estructuras moleculares diferentes, como el oxígeno, que puede presentarse como oxígeno atmosférico (O2) y como ozono (O3), o con características físicas distintas, como el fósforo, que se presenta como fósforo rojo y fósforo blanco (P4), o el carbono, que lo hace como grafito, y diamante.

para que a un elemento se le pueda denominar como alótropo, sus diferentes estructuras moleculares deben presentarse en el mismo estado físico.

una explicación de las diferencias que presentan en sus propiedades se ha encontrado en la disposición de los átomos de carbono en el espacio. por ejemplo, en los cristales de diamante, cada átomo de carbono esta unido a cuatro átomos de carbono vecinos, adoptando una ordenación en forma de tetraedro que le confiere una particular dureza

el oxígeno es un elemento químico de número atómico 8 y símbolo O. en su forma molecular más frecuente, O2, es un gas a temperatura ambiente. representa aproximadamente el 20% de la composición de la atmósfera terrestre. es uno de los elementos más importantes de la química orgánica y participa de forma muy importante en el ciclo energético de los seres vivos, esencial en la respiración celular de los organismos aeróbicos. es un gas incoloro, inodoro e insípido.
existe una forma molecular formada por tres átomos de oxígeno, O3, denominada ozono cuya presencia en la atmósfera protege la tierra de la incidencia de radiación ultravioleta procedente del sol.

FERRITA
Aunque la ferrita es en realidad una solución sólida de carbono en hierro alfa, su solubilidad a la temperatura ambiente es tan pequeña que no llega a disolver ni un 0.008% de C. Es por esto que prácticamente se considera la ferrita como hierro alfa puro. La ferrita es el más
blando y dúctil constituyente de los aceros
. Cristaliza en una estructura BCC. Tiene una dureza de 95 Vickers, y una resistencia a la rotura de 28 Kg/mm2, llegando a un alargamiento del 35 al 40%. Además de todas estas características, presenta propiedades
magnéticas
. En los aceros aleados, la ferrita suele contener Ni, Mn, Cu, Si, Al en disolución sólida sustitucional.
CEMENTITA
Es carburo de hierro y por tanto su composición es de 6.67% de C y 93.33% de Fe en peso. Es el constituyente más duro y frágil de los aceros, alcanzando una dureza de 960 Vickers. . Es magnética hasta los 210ºC, temperatura a partir de la cual pierde sus propiedades magnéticas.
Aparece como:
- Cementita proeutectoide, en aceros hipereutectoides, formando un red que envuelve a los granos perlíticos.
- Componente de la perlita laminar.
- Componente de los glóbulos en perlita laminar.
- Cementita alargada (terciaria) en las uniones de los granos (0.25% de C)
PERLITA
Es un constituyente compuesto por el 86.5% de ferrita y el 13.5% de cementita. La perlita tiene una dureza de aproximadamente 200 Vickers, con una resistencia a la rotura de 80 Kg/mm2 y un alargamiento del 15%. Cada grano de perlita está formado por láminas o placas alternadas de cementita y ferrita.
LEDEBURITA
La ledeburita no es un constituyente de los aceros, sino de las fundiciones. Se encuentra en las aleaciones Fe-C cuando el porcentaje de carbono en hierro aleado es superior al 25%, es decir, un contenido total de 1.76% de carbono.

La ledeburita se forma al enfriar una fundición líquida de carbono (de composición alrededor del 4.3% de C) desde 1130ºC, siendo estable hasta 723ºC, descomponiéndose a partir de esta temperatura en ferrita y cementita

La línea A3,

esta formada por la unión del punto R con el punto E, a esa línea se le conoce como línea
de temperatura crítica superior (y a cualquier temperatura que se encuentre en esa línea se le llama
temperatura crítica superior), esta línea durante el enfriamiento marca el principio de la
La línea A1,

Formada por la unión del punto H con el punto E, se le conoce como línea de temperatura
crítica inferior, y marca el fin de la transformación de la austenita en ferrita y perlita del lado
hipoeutectoide. Esta línea se encuentra ubicada a temperatura constante de 727° C y (a esta
temperatura se le conoce como temperatura crítica inferior) para cualquier composición de carbono
hasta de 0.8% de carbono, en donde toda la austenita se transforma en perlita.


La línea Acm

Se forma al unir los puntos E y Q, y se conoce como línea de temperatura crítica superior,
(del lado hipereutectoide) dicha línea parte del punto E que se encuentra a la temperatura de 727°C y con
0.8% de carbono, y llega hasta el punto Q que está a la temperatura de 1148°C y con 2% de carbono. Esta
línea marca el inicio de la transformación de la austenita a cementita proeutectoide.
La línea A31

Se conoce como línea de temperatura crítica inferior (del lado hipereutectoide), ésta línea marca el fin de la transformación de la austenita en perlita durante el enfriamiento y se encuentra a una temperatura de 727°C, con un intervalo de composición entre 0.8% a 6.67% de carbono.
A las líneas antes mencionadas, con frecuencia se les designa con subíndices adicionales, los

cuales son c ó r. En pocas palabras, estos subíndices se usan para indicar un corrimiento de las

temperaturas a las cuales ocurre la transformación, debido al tiempo requerido para la difusión o

precipitación, y al hecho de que es impráctico aproximarse a un calentamiento o enfriamiento

infinitamente lentos.

La letra c, indica calentamiento, y denota el corrimiento de la línea con el aumento de

temperatura conforme se agrega calor. La letra r, indica enfriamiento, y denota un corrimiento

de la línea con la disminución de la temperatura con forme se quita calor. La posición de las

líneas Ac y Ar depende de la relación de calentamiento o enfriamiento. Mientras más rápida es la

relación mas lejos se separaran de las líneas básicas, que solo se aplican a las condiciones de

equilibrio.
las mezclas eutectoides a diferencia de las eutécticas parten del estado solido,formándose otra en estado solido como mezcla de cada uno de los componentes. cuando el solido de la composición eutectoide se enfria lentamente asta la tempreratura eutectoide, la fase simple solida se transforma simultáneamente en dos formas solidas soluciones solidas: alpha y beta.
SOLIDIFICACIÓN Y ENFRIAMIENTO

Después de vaciar el metal fundido en el molde, éste se enfría y solidifica. En esta sección

examinaremos los mecanismos físicos de solidificación que ocurren durante la fundición. Los
aspectos

asociados con la solidificación incluyen el tiempo de enfriamiento del metal, la contracción, la

solidificación direccional y el diseño de las mazarota
Solidificación de los Metales
La solidificación involucra el regreso del metal fundido al estado sólido. El proceso
de solidificación

difiere, dependiendo de si el metal es un elemento puro o una aleación.

Metales puros. Un metal puro solidifica a una temperatura constante que constituye
su punto de

congelación o punto de fusión. Los puntos de fusión de los metales puros son bien
conocidos. El proceso

ocurre en un tiempo determinado como se muestra en la figura 2.3, conocida como
curva de enfriamiento.

La solidificación real toma un tiempo llamado, tiempo local de solidificación,
durante el cual el calor

latente de fusión del metal escapa fuera del molde. El tiempo total de solidificación
va desde el momento

de vaciar el metal hasta su completa solidificación. Después que la fundición se ha
solidificado

completamente, el enfriamiento continúa a una velocidad indicada por la pendiente
hacia debajo de la

curva de enfriamiento
TIEMPO DE SOLIDIFICACION

Si la fundición es metal puro o aleación, de todos modos, su
solidificación toma tiempo. El tiempo

total de solidificación es el tiempo necesario para que la fundición
solidifique después del vaciado. Este

tiempo depende del tamaño y de la forma de la fundición expresada por
una relación empírica conocida.
En general la composición química del acero al carbono contienen:
• Carbono< 1%
• Magnesio<0.90%
• Azufre<0.50%
• Silicio<0.10%
• Fósforo<0.10%

Los aceros al carbono se subclasifican en:
Aleaciones al bajo carbono. Menos de 0.2% de Carbono.
Aleaciones al medio carbono. Entre 0.2% y 0.5% de Carbono.
Aleaciones al alto carbono. Más de 0.5% de Carbono

Aceros al carbono
Aceros semisuaves
Aceros extra suaves.
El porcentaje de carbono en este acero es de 0,15%.
Es un acero fácilmente soldable y deformable.
Aplicaciones: Elementos de maquinaria de gran tenacidad, deformación en frío, embutición, plegado, herrajes, etc
El porcentaje de carbono es de 0,35%
Aplicaciones: Ejes, elementos de maquinaria, piezas resistentes y tenaes, pernos, tornillos, herrajes.

Aceros semiduros
El porcentajes de carbono es de 0,45%
Aplicaciones: Ejes y elementos de máquinas, piezas bastante resistentes, cilindros de motores de explosión, transmisiones, etc.

Acero duro
El porcentaje de carbono es de 0,55%
Templa bien en agua y aceite.
Aplicaciones: Ejes, transmisiones, tensores y piezas regularmente cargadas y de espesores no muy elevados.

Aceros al carbono y de baja aleación
El porcentaje de carbono varia de 0.06% a 0.25%
Son de precios moderados, tienen poca cantidad de elementos aleantes, y son suficientemente dúctiles como para conformarse con facilidad.

Tipos de ceros Fe-C
Ferrita
No llega a disolver ni un 0.008% de C.
Cementita
Su composición es de 6.67% de C y 93.33% de Fe en peso.
Austenita
La proporción de C disuelto varía desde el 0 al 1.76%
Martensita
La proporción de carbono no es constante, varía hasta un máximo de 0.89%
Ledeburita
Tiene un contenido total de 1.76% de carbono.
Clasificación de los aceros según la AISI-SAE
AISI.- American Iron and Steel Institute.
SAE.- Sociedad norteamericana de ingenieros automotores.
En el sistema AISI-SAE, los aceros se clasifican con cuatro dígitos. El primer digito especifica la aleación principal, el segundo modifica al primero y los dos últimos dígitos, dan la cantidad de carbono en centésimas.
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