Diagrama Hierro-Carbono: fases, microestructuras y solidificación de aleaciones

Resumen

El documento explica el diagrama Hierro-Carbono, que representa las transformaciones de aceros y fundiciones según la temperatura y el porcentaje de carbono. Describe las líneas de liquidus y solidus, los puntos característicos (eutéctico, eutectoide y límite de la cementita) y la solidificación de seis aleaciones de ejemplo. Incluye también las propiedades de los microconstituyentes de los aceros: ferrita, cementita, perlita, austenita, martensita, troostita, sorbita y bainita.

Puntos clave

La línea ACD es el liquidus, donde empiezan a solidificar las aleaciones, y la línea AECF es el solidus, donde termina la solidificación.
El punto C es la aleación eutéctica con 4.3% de carbono, formada por austenita y cementita (ledeburita).
El punto S es el eutectoide, con 0.89% de carbono, donde la austenita se transforma en perlita.
La máxima solubilidad del carbono en el hierro es 1.76% (punto E) y el diagrama llega hasta 6.67% de carbono (cementita pura).
La ferrita disuelve como máximo 0.008% de carbono y es el constituyente más blando y dúctil de los aceros.
La cementita es el constituyente más duro y frágil de los aceros, con dureza de hasta 800 HB.
La martensita se presenta en forma de agujas, cristaliza en el sistema tetragonal y tiene dureza de 50-68 HRC.

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En el diagrama Hierro-Carbono (Fe-C) se representa gráficamente las transformaciones que sufren los aceros y fundiciones en función de la temperatura y la concentración de carbono. De su observación y análisis se puede deducir:

Líneas y Puntos Clave

La línea ACD es la línea de liquidus, a partir de la cual comienzan a solidificar las aleaciones del sistema.
La línea AECF es la línea de solidus, que indica las temperaturas al final de la solidificación.

Punto A: Temperatura de solidificación del hierro puro.
Punto C: Aleación eutéctica (4.3% de carbono), compuesta por austenita y cementita formando ledeburita.
Punto E: Máxima solubilidad del carbono en hierro (1.76% de carbono).
Punto D: Límite del diagrama (6.67% de carbono), correspondiente a la cementita pura.
Punto S (Eutectoide): La austenita se transforma en perlita. Esta aleación tiene 0.89% de carbono.

Solidificación de Aleaciones (Ejemplos)

Para una mejor comprensión del diagrama, estudiaremos el proceso de solidificación de seis aleaciones con los siguientes porcentajes de carbono: 0.5%, 0.89%, 1.2%, 3.2%, 4.3% y 5.4%.

Aleación I (0.5% C):
- Por encima del punto 1: Solo existe fase líquida.
- Entre 1 y 2: Comienza la formación de austenita hasta solidificar totalmente.
- En el punto 3: El hierro γ (austenita) se transforma progresivamente en hierro α (ferrita).
- Mientras dura la transformación, la austenita residual se enriquece en carbono hasta que, en el punto 4 (0.89% C), se convierte en perlita.
Aleación II (0.89% C): Comportamiento similar a la aleación I, pero sin el punto 3. Toda la austenita se transforma bruscamente en perlita (transformación eutectoide).
Aleación III (1.2% C):
- En el punto 5: Comienzan a separarse cristales de cementita.
- La austenita restante se empobrece en carbono hasta que, en el punto 6 (723°C y 0.89% C), se transforma en perlita.
Aleación IV (3.2% C):
- En el punto 7: Comienza la solidificación y se forma austenita.
- Cuando el líquido residual llega a la línea eutéctica (punto 8): Se transforma en ledeburita.
- Al descender la temperatura, la austenita segrega cementita preeutéctica hasta que, en el punto 9, se convierte en perlita.
- La ledeburita (52% cementita primaria y 48% austenita) también se transforma en perlita.
Aleación V (4.3% C): Idéntica a la anterior, pero con una solidificación brusca en ledeburita en el punto C (transformación eutéctica).
Aleación VI (5.4% C):
- En el punto 10: Comienzan a formarse cristales de cementita.
- La fase líquida pierde carbono hasta solidificar en ledeburita (4.3% C) a 1130°C.

Microconstituyentes de los Aceros

Ferrita: Disuelve como máximo 0.008% de carbono. Es el constituyente más blando y dúctil de los aceros (dureza: 90 HB).
Cementita: Es el constituyente más duro y frágil de los aceros (dureza: hasta 800 HB). Tiene propiedades magnéticas hasta los 210°C.
Perlita: Dureza de 200 HB, resistencia a la rotura de 80 kp/mm² y alargamiento del 15%.
Austenita: Es el constituyente más denso de los aceros (dureza: hasta 300 HB, resistencia: 100 kp/mm²).
Martensita: Después de la cementita, es el constituyente más duro de los aceros. Se presenta en forma de agujas y cristaliza en el sistema tetragonal (dureza: 50-68 HRC).
Troostita: Nódulos de láminas radiales de cementita sobre ferrita. Dureza de 450 HB y resistencia de 100 kp/mm².
Sorbita: Laminillas finas. Dureza de 350 HB y resistencia de 100 kp/mm².
Bainita: Se produce en un temple isotérmico (bainítico). El objetivo es la transformación total de la austenita en bainita, en lugar de martensita.

Preguntas frecuentes

¿Qué es la línea de liquidus en el diagrama Hierro-Carbono?

Es la línea ACD, a partir de la cual comienzan a solidificar las aleaciones del sistema. Por encima de ella solo existe fase líquida.

¿Qué es la ledeburita?

Es la mezcla eutéctica de austenita y cementita que se forma en el punto C, para una aleación con 4.3% de carbono. Según el documento, al descender la temperatura se transforma en perlita.

¿Qué es la perlita?

Es el microconstituyente que resulta de la transformación eutectoide de la austenita en el punto S, con 0.89% de carbono. Tiene dureza de 200 HB y un alargamiento del 15%.