Diagrama de Fases Hierro-Carbono: Microestructuras y Transformaciones del Acero

Introducción al Diagrama Hierro-Carbono

Este documento sirve para conocer las estructuras microscópicas y la existencia de fases en los aceros. Permite comprender el tipo de acero que se obtiene en función de la temperatura (T) y la concentración de carbono presente.

La diferencia entre el diagrama Fe-C metaestable y el estable radica en la forma en que precipita el carbono:

• En el diagrama estable, el carbono precipita en forma de grafito. La reacción es: Fe₃C → 3Fe + C.
• En el diagrama metaestable, el carbono precipita en forma de compuesto de hierro y carbono (cementita). La reacción es: 3Fe + C → Fe₃C.

Fases del Sistema Hierro-Carbono

A continuación, se describen las principales fases presentes en el sistema hierro-carbono:

• Austenita (γ-Fe):
  • Es una solución sólida intersticial de hierro gamma (γ), con una solubilidad máxima de carbono de hasta un 2,11% a 1148°C.
  • No existe por debajo de los 723°C, por lo que no aparece a temperatura ambiente.
  • Posee una estructura FCC (cúbica centrada en las caras), es blanda y tiene una excelente capacidad de deformación plástica.
  • Su gran solubilidad se debe a que en el espacio del centro de la celda se genera un hueco similar al tamaño de un átomo de carbono.
• Ferrita (α-Fe):
  • Es una solución sólida intersticial de hierro alfa (α) con carbono.
  • Cristaliza en el sistema cúbico BCC (cúbica centrada en el cuerpo).
  • Presenta poca solubilidad en carbono.
  • Es el constituyente más blando de todos, muy dúctil y maleable.
  • Aparece a temperatura ambiente y su solubilidad es nula a esa temperatura. Es una fase dura.
  • Se transforma en FCC a los 903°C. Si se combina con carbono, forma una solución sólida intersticial de baja solubilidad.
• Cementita (Fe₃C):
  • Es un compuesto intermetálico.
  • Es el constituyente más duro y frágil de los aceros al carbono.
  • Tiene tendencia a descomponerse en hierro y carbono en tiempos largos.
• Perlita (α + Fe₃C):
  • Es un constituyente eutectoide.
  • Formado por capas alternadas de hierro alfa (ferrita) y carburo de hierro (cementita).
  • Existe por debajo de los 727°C.
• Ledeburita (γ + Fe₃C):
  • Es una mezcla eutéctica de austenita y cementita, con aproximadamente 95% Fe y 4,3% C.
  • Se forma al enfriar la fundición líquida de Fe y 4,3% de C a los 1148°C.
  • No existe a temperatura ambiente, ya que en su enfriamiento se transforma en cementita + perlita.
• Delta (δ-Fe):
  • Es una solución sólida intersticial de hierro delta (δ) en carbono.
  • Posee una estructura BCC y un tamaño de intersticios muy pequeño.
  • Solidifica a 1535°C.
  • A los 1400°C, los átomos se reagrupan como FCC.

Transformaciones Clave

Las principales transformaciones que ocurren en el diagrama hierro-carbono son:

• Peritéctica: A 1496°C, Líquido (0,53%C) + Delta (0,19%C) ↔ Gamma (0,17%C).
• Eutéctica: A 1129°C, Líquido (4,3%C) ↔ [Gamma (2,11%C) + Fe₃C] (Ledeburita).
• Eutectoide: A 723°C, Gamma (0,8%C) ↔ Alfa (0,02%C) + Fe₃C (Perlita).

Puntos Característicos del Diagrama Fe-C

• Punto Eutéctico:
  • Corresponde a una proporción de carbono del 4,3%.
  • Esta aleación es la de más bajo punto de fusión.
  • La totalidad de la masa funde o se solidifica a una sola temperatura.
• Punto Eutectoide:
  • Es análogo al eutéctico.
  • La diferencia es que en el eutéctico tiene lugar el cambio de estado de líquido a sólido o de sólido a líquido.
  • En el eutectoide se produce solamente una transformación de la constitución de la aleación.
• Punto Peritéctico:

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