Ciencias de los materiales

6 Aleaciones Hierro - Carbono. Composición, Constitución y Estructura.

6.1 Propiedades del hierro El hierro técnicamente puro, es decir, con menos de 0,008 % de carbono, es un metal blanco azulado, dúctil y maleable, cuyo peso específico es 7870 Kg/m3 . Funde de 1.536 ºC a 1539 ºC, reblandeciéndose antes de llegar a esta temperatura, lo que permite forjarlo y modelarlo con facilidad. La temperatura de fusión baja en cuanto está aleado con carbono. Por ejemplo, la fundición de 4,3 % de carbono funde a 1.145 ºC. El hierro es un buen conductor de electricidad y se imanta fácilmente.

6.2 Estructura cristalina del hierro puro Si se enfría lentamente una probeta de hierro puro, fundida, es decir, en estado líquido, se observa que se solidifica a una temperatura constante de 1.539 ºC. Si la temperatura sigue después descendiendo, se observa a los 1.390 ºC una detención en el descenso de Ia temperatura, por producirse un cambio en la estructura de la probeta que produce desprendimiento de calor. A los 900 ºc se produce otra detención y, por fin, otra a los 750 ºC. Las temperaturas citadas se denominan temperaturas críticas y también puntos críticos, y se representan por Ar4 (1.390 ºC), Ar3 (900 ºC) y Ar2 (750 ºC). Si en lugar de enfriarse se calienta el hierro puro desde la temperatura ambiente, observaremos que se repiten las mismas anomalías, pero a temperaturas ligeramente superiores: 780ºC (Ac2), 920 ºC (Ac3) y 1.410ºC (Ac4). Las temperaturas o puntos críticos encontrados al enfriar son designados con la letra A y el subíndice r, del francés «refroidissement» (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. Tema 6 - 2 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 ningún subíndice, y que serían las mismas para el calentamiento que para el enfriamiento. Para el hierro puro son A2 = 768 ºC, A3 = 910 ºC y A4 = 1.400 ºC y marcan los puntos de transformación de los cristales de hierro en otras variedades alotrópicas. Así, hasta el punto A2 = 768 ºC, el hierro cristaliza en la variedad alfa. De A2 a A3 (de 768 ºC a 910 ºC), el hierro cristaliza en la variedad beta. De A3 a A4 (910 ºC a 1.400 ºC), en la variedad gamma, y de A4 hasta la fusión, a 1.539 ºC, cristaliza en la variedad delta.

6.3 Variedades alotrópicas de hierro puro El hierro cristaliza en la variedad alfa hasta la temperatura de 768 ºC . La red espacial a que pertenece es la cúbica centrada, es decir, con un átomo en cada vértice del cubo y otro en el centro. La distancia entre átomos es de 286 pm. El retículo elemental, en realidad, está formado por dos 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 del átomo 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 alfa no disuelve prácticamente al carbono, no llegando al 0,008 % a la temperatura ambiente, siendo la máxima solubilidad de 0,02% a 723 ºC. El hierro alfa es magnético. Se denominaba variedad beta a la existente entre 768 y 910 ºC. Cristalográficamente es igual a la alfa, y únicamente la distancia entre átomos (parámetro) es algo mayor: 290 pm a 800 ºC, y 290,5 pm a 900 ºC. Este incremento del parámetro puede ser atribuido a la dilatación normal por el aumento de temperatura. Como la única variación que se observa con respecto al hierro alfa es el no ser magnética, muchos autores denominan a esta variedad de hierro alfa no magnético. La variedad gamma se presenta de 910 ºC a 1.400 ºC. Cristaliza en la red cúbica centrada en las caras, o sea, con los átomos dispuestos en los vértices del cubo y además centrados en las caras. La distancia entre átomos es de 360 pm a 910 ºC, llegando hasta 368 pm a 1.400 ºC. Está formado el cubo elemental por cuatro átomos: uno de vértices y tres de caras, puesto que cada cara es común a dos cristales. El cubo de hierro gamma tiene más volumen que el de hierro alfa, pero como contiene cuatro átomos de hierro frente a los dos del cubo de hierro alfa, serán necesarios dos cubos de hierro alfa para formar el del hierro gamma. Es decir, que la transformación de hierro alfa a hierro gamma supone una contracción de volumen. El hierro gamma disuelve fácilmente al carbono, creciendo la solubilidad desde 0,85 % a 923 ºC hasta 1,76 % a 1.130 ºC, para decrecer hasta 0,12% a 1.487 ºC. El hierro gamma no tiene propiedades magnéticas. La variedad delta se inicia a los 1.400 ºC, observándose entonces una reducción en el parámetro hasta 293 pm y el retorno al sistema c.c., es decir, a un modelo igual al hierro alfa, que también es magnético. Su máxima solubilidad del carbono es 0,07 % a 1.487 ºC. Esta variedad es menos interesante desde el punto de vista industrial. A partir de 1.539 ºC, se inicia la fusión del hierro puro. Al punto de transformación del hierro alfa magnético en no magnético se denomina punto de Curie, y al hierro beta no se le considera variedad alotrópica.

 6.4 Aleaciones de hierro-carbono El hierro puro apenas tiene aplicaciones industriales. Pero formando aleaciones con carbono y otros elementos, es el metal más utilizado modernamente con gran diferencia sobre los demás metales. El elemento básico de aleación del hierro es el carbono. Por eso el estudio de las aleaciones hierro carbono es fundamental en la tecnología del hierro. Tema 6 - 3 Las aleaciones hierro-carbono, como todas las aleaciones, están caracterizadas por tres factores: S Su composición química. S Su constitución. S Su estructura. Examinaremos, por tanto, la composición química, la constitución y la estructura de las aleaciones hierro-carbono.

6.5 Composición de las aleaciones hierro-carbono A la temperatura ambiente, salvo una pequeña parte disuelto en la ferrita, todo el carbono que contienen las aleaciones hierro-carbono está en forma de carburo de hierro, CFe3. Por eso las aleaciones Hierro-Carbono se denominan también aleaciones hierro-carburo de hierro. A temperaturas más elevadas, como veremos más adelante, se disocia el carburo de hierro y queda el carbono en su totalidad formando solución sólida en el hierro gamma (austenita). Las aleaciones con contenido de carbono comprendido entre 0,10 y 1,76 % tienen características muy bien definidas y se denominan aceros. Los aceros de cualquier proporción de carbono dentro de los límites citados pueden alearse con otros elementos, formando los denominados aceros aleados o aceros especiales. Algunos aceros aleados pueden contener excepcionalmente hasta el 2,5% de carbono. Los aceros, generalmente, son forjables, y es esta una cualidad, entre otras, que los distingue. 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 % que es la de la cementita pura, (carburo de hierro, CFe3). Las fundiciones, en general, no son forjables. Tanto los aceros como las fundiciones obtenidas industrialmente están impurificadas por otros elementos como el azufre, fósforo, etc. Sin embargo, las consideramos completamente libres de impurezas y también sin ningún otro elemento de aleación.

6.6 Constitución de las aleaciones hierro-carbono Las aleaciones están formadas por constituyentes cuya naturaleza varía, según las proporciones de los componentes de la aleación y la temperatura. En las aleaciones hierro-carbono pueden encontrarse hasta once constituyentes, que se denominan: ferrita, cementita, perlita, austenita, martensita, troostita, sorbita, bainita, ledeburita, steadita y grafito, cuyas características son las siguientes:

6.6.1 Ferrita Aunque la ferrita es en realidad una solución sólida de carbono en hierro alfa, su solubilidad a temperatura ambiente es tan pequeña que no llega a disolver a 0,008 % de C. Por esto, prácticamente, se considera la ferrita como hierro alfa puro. La máxima solubilidad del carbono en el hierro alfa es de 0,02% a 723 ºC. La ferrita es el más blando y dúctil constituyente de los aceros. Cristaliza en la red cúbica centrada. Tiene una dureza de 90 Brinell y una resistencia a la rotura de 28 Kg/mm2, llegando hasta un alargamiento del 35 al 40%. Es magnética. Tema 6 - 4

 6.6.2 Cementita Es carburo de hierro, de fórmula CFe3, y contiene por tanto, 6,67 % de carbono y 93,33 % de hierro. Es el constituyente más duro y frágil de los aceros, alcanzando una dureza Brinell de 700 (68 HRC). Es magnética hasta los 210ºC, temperatura a partir de la cual pierde el magnetismo; esta temperatura recibe el nombre de punto Curie de la cementita. Cristaliza en la red ortorrómbica.

6.6.3 Perlita Es un componente eutectoide. Está compuesta por el 86,5 % de ferrita y el 13,5 % de cementita, o, dicho de otra manera, hay 6,4 partes de ferrita y 1 de cementita. La perlita tiene una dureza de aproximadamente 200 Brinell, con una resistencia a la rotura de 80 Kg/mm2 y un alargamiento del 15 %. El nombre de perlita se debe a las irisaciones que adquiere al iluminarla, parecidas a las de las perlas. Cada grano de perlita está formado por láminas o placas alternadas de cementita y ferrita. Esta estructura laminar se observa en la perlita formada por enfriamiento muy lento. Si el enfriamiento es brusco, la estructura es más borrosa y se denomina perlita sorbítica, aunque por otros autores se considera en este caso más bien sorbita. Si la perlita laminar se calienta durante algún tiempo a una temperatura un poco inferior a la crítica (inferior a 723 ºC), la cementita adopta la forma de glóbulos incrustados en la masa de ferrita, recibiendo entonces la denominación de perlita globular.

6.6.4 Austenita Este es el constituyente más denso de los aceros, y está formado por la solución sólida por inserción de carbono en hierro gamma. La proporción de carbono disuelto varía desde el 0 hasta el 1,76 %, correspondiendo este último porcentaje de máxima solubilidad a la temperatura de 1.130 ºC. La austenita en los aceros sin ningún otro elemento aleado, empieza a formarse a la temperatura de 723º (A1 punto crítico inferior), y a partir de la temperatura crítica superior (A3 ó Acm) la totalidad de la masa de acero está formada por cristales de austenita. Puede obtenerse una estructura austenítica en los aceros a la temperatura ambiente enfriando muy rápidamente una probeta de acero de alto contenido en carbono o muy alta aleación desde una temperatura por encima de la crítica superior, pero como esta austenita no es estable, con el tiempo se transforma en ferrita y perlita o cementita y perlita. Excepcionalmente hay algunos aceros al cromo-níquel denominados austeníticos, cuya estructura es austenítica a la temperatura ambiente. La austenita está formada por cristales cúbicos de hierro gamma c.c.c, con los átomos de carbono intercalados en las aristas y en el centro del cubo. La austenita tiene un dureza Brinell de unos 300, una resistencia de unos 100 Kg/mm2 y un alargamiento de un 30%. No es magnética.

6.6.5 Martensita Después de la cementita es el constituyente más duro de los aceros. La martensita es una solución sólida sobresaturada de carbono en hierro alfa. Se obtiene por enfriamiento muy rápido de los aceros, una vez elevada su temperatura lo suficiente para conseguir su constitución austenítica. Se presenta en forma de agujas y cristaliza en el sistema tetragonal en lugar de la c.c. correspondiente a hierro alfa, debido a la deformación que produce en la red cristalina la inserción de los átomos de carbono. La dureza de la martensita puede atribuirse precisamente a la tensión que produce en sus cristales esta deformación, de la misma manera que los metales deformados en frío deben a los granos deformados y en tensión, el aumento de dureza que experimentan. La proporción de carbono de la martensita no es constante sino que varía hasta un máximo de 0,89%, aumentando su dureza, resistencia mecánica y fragilidad con el contenido de carbono. Su dureza varía de 50 a 68 HRC; su resistencia mecánica, de 175 a 250 Kg/mm2 y su alargamiento, de 2,5 a 0,5 %. Es magnética.

6.6.6 Troostita Tema 6 - 5 Antiguamente se la denominaba osmondita. Se produce la troostita por transformación isotérmica de la austenita entre las temperaturas de 500º a 600º. Es decir, enfriando rápidamente la austenita hasta una temperatura comprendida entre los 500º y 600º y manteniéndola a esta temperatura constante hasta que toda la austenita se haya transformado en troostita. Se produce también la troostita cuando se enfría la austenita a una velocidad algo inferior a la crítica (La velocidad de enfriamiento crítica, es la mínima para que toda la austenita se transforme en martensita). Durante mucho tiempo se ha creído que la troostita y la sorbita se producían también en el revenido de los aceros templados, es decir, por transformación de la martensita; pero las investigaciones más recientes han desechado esta suposición. Se presenta la troostita en forma de nódulos compuestos de laminillas radiales de cementita sobre ferrita, parecidas a las de la perlita, pero más finas. Su dureza es de unos 450 Brinell; su resistencia, 250 Kg/mm2 y su alargamiento, un 7,5 %.

6.6.7 Sorbita Se produce también por transformación isotérmica de la austenita a temperaturas comprendidas entre 600º y 650º. Es decir, enfriando rápidamente la austenita, que deberá estar a temperaturas por encima de la crítica superior, hasta una temperatura comprendida entre los 600º y 650º, y manteniéndola a esta temperatura constante hasta su total transformación en sorbita. También se produce la sorbita cuando se enfría la austenita a velocidad bastante inferior a la crítica. Por eso aparece en los aceros forjados y laminados, en los cuales la velocidad de enfriarniento no es lo suficientemente rápida ni para el temple, o sea, para la formación de martensita, ni aún para la formación de troostita, y tampoco es lo suficientemente lenta para la formación de perlita. La sorbita se presenta formando laminillas aún más finas que las de la troostita y también similares a las de la perlita. Tiene una dureza de unos 350 Brinell, una resistencia de unos 100 Kg/mm2 y un alargamiento del 15 %.

6.6.8 Bainita Se forma la bainita en la transformación isotérmica de la austenita, entre temperaturas de 250º y 550º. Es decir, enfriando la austenita rápidamente hasta una temperatura comprendida entra 250º y 550º y manteniéndola después a una temperatura constante hasta la transformación total de la austenita en bainita. La bainita no se produce como la troostita y sorbita en un temple, que pudiéramos llamar defectuoso, por defecto de la velocidad de enfriamiento, sino que se produce por un temple denominado isotérmico o bainítico, cuyo fin no es la trasformación de la austenita en martensita, como ocurre en el temple clásico, sino que se pretende la transformación íntegra de la austenita en bainita. En realidad, se admiten dos bainitas: la superior, de aspecto arborescente, que se forma a temperaturas entre 500º y 550º, y la inferior, de aspecto acicular, similar a la martensita, y que se forma a temperaturas entre 250º y 400º. Las dos bainitas están constituidas por placas de carburo sobre una matriz ferrítica.

6.6.9 Ledeburita La ledeburita no es un constituyente de los aceros. sino de las fundiciones. Se encuentra en las aleaciones hierro-carbono cuando el porcentaje de carburo de hierro aleado es superior al 25 %, o sea, con un contenido total mayor de 1,76 % de C. La ledeburita es una eutéctica, palabra que en griego significa fluidez perfecta y se emplea para designar una mezcla de componentes que pasan sin descomposición ni segregación del estado sólido al líquido. Se forma al enfriar la fundición líquida de 4,3 % de C desde 1.130º, siendo estable hasta 723º (A1, punto crítico inferior), descomponiéndose a partir de esta temperatura en ferrita y cementita. La ledeburita contiene el 52% de cementita y el 48 % de austenita de 1,76 % de carbono. El contenido total de carbono de la ledeburita es el 4,3 %.

6.6.10 Steadita Tema 6 - 6 Es un constituyente de naturaleza eutéctica, que aparece en las fundiciones de más de 0,15 % de fósforo. Como la steadita se compone de un 10% de fósforo aproximadamente, y casi todo el fósforo de la fundición se concentra en este constituyente, se puede calcular el porcentaje de steadita que contiene la fundición por su contenido en fósforo. Así, por ejemplo, una fundición que contenga 0,15% de fósforo, tendrá el 15% de steadita. La steadita es muy dura y frágil. Funde a 960º. En las fundiciones grises está compuesta de un eutéctico de ferrita y fosfuro de hierro, y en las fundiciones blancas y atruchadas, por un eutéctico de ferrita, fosfuro de hierro y cementita.

6.6.11 Grafito El grafito es una de las variedades alotrópicas en que se encuentra el carbono libre en la naturaleza, siendo la otra el diamante. Es blando, untuoso, de color gris oscuro y de peso específico 2,25. Se presenta en forma de láminas en las fundiciones grises; en forma de nódulos, en las fundiciones maleables, y en forma esferoidal, en algunas fundiciones especiales. El grafito baja la dureza, resistencia mecánica, elasticidad y plasticidad de las fundiciones que lo contienen, pero, en cambio, mejora la resistencia al desgaste y a la corrosión y sirve de lubricante en el roce.

6.7 Estructura de las aleaciones hierro-carbono En las aleaciones hierro-carbono, como en todos los metales y aleaciones, se pueden distinguir tres clases de estructuras: la estructura cristalina, la estructura micrográfica y la estructura macrográfica, cuyas características son las siguientes:

6.7.1 Estructura cristalina en las aleaciones hierro-carbono La estructura cristalina de las aleaciones hierro-carbono no es uniforme, sino que varía según los constituyentes de que está formada la aleación, y éstos varían con la composición y temperatura. Al estudiar los constituyentes de aceros y fundiciones hemos señalado su estructura cristalina, que depende en gran parte del estado alotrópico en que se encuentra el hierro que forma parte de los mismos.

6.7.2 Estructura micrográfica de las aleaciones hierro-carbono El elemento fundamental de la estructura micrográfica es el grano, que en los aceros tiene una gran importancia, por lo que debe cuidarse su formación y evolución de su tamaño en los tratamientos térmicos. El grano de los aceros crece a partir de temperaturas comprendidas entre 850º y 1000º. Y el grano crece, no sólo con el aumento de temperatura, sino con el tiempo de permanencia a estas temperaturas. En caso de que por descuido haya aumentado mucho el tamaño del grano en algún calentamiento del acero, debe someterse éste a un recocido de regeneración. Las propiedades del acero son, en general, peores cuanto mayor es el grano, excepto la maquinabilidad, que se favorece con el aumento del tamaño del grano. Con arreglo a la clasificación A.S.T.M. del tamaño del grano, se considera como normal un acero cuyo tamaño del grano sea 6 ó 7.

Tema 6 - 7 INFLUENCIA DEL TAMAÑO DEL GRANO EN LAS CARACTERÍSTICAS DE LOS ACEROS Grano fino Grano grueso Templabilidad poca mucha Tenacidad para la misma dureza mucha poca Deformaciones en el temple pocas muchas Grietas pocas bastantes Tensiones residuales pocas bastantes Maquinabilidad en estado recocido peor mejor

 6.7.3 Estructura macrográfica La estructura macrográfica formada por la fibra depende de las impurezas que contenga el acero y de la forja a que se ha sometido.

6.8 Inclusiones metálicas En los aceros aleados, además de los constituyentes citados, hay otros elementos que pueden encontrarse en diferentes formas: En forma de carburos : El cromo, molibdeno, wolframio, manganeso y vanadio se combinan con el carbono formando carburos metálicos muy duros, aún más que la martensita. Estos carburos forman parte de los aceros denominados rápidos, y conservan su dureza y resistencia al desgaste a temperaturas superiores a 500º. En el microscopio se observan en forma de granos brillantes. Disueltos en la ferrita : El níquel, cromo, silicio, manganeso, cobre y fósforo pueden encontrarse en los aceros disueltos en la ferrita, es decir, como la sal en el agua, formando soluciones sólidas. Emulsionados: El cobre, en porcentajes superiores a 0,60 %, y el plomo pueden encontrarse formando bolsas muy pequeñas en la masa del acero, confiriendo a éste propiedades especiales.

6.9 Impurezas Y, por fin, pueden encontrarse también en la masa de los aceros inclusiones formadas por sulfuros de manganeso, óxido de aluminio, silicatos, etc., que proceden de los refractarios de los hornos, de las escorias o de los procesos de oxidación o desoxidación. En general, las inclusiones no metálicas perjudican las propiedades del acero.