Metalurgia de las Aleaciones Hierro-Carbono: Propiedades y Constituyentes

Hierro-Carbono

Propiedades del hierro puro

El hierro técnicamente puro (con menos del 0,008% de C) es un metal blanco azulado, dúctil y maleable, cuyo peso específico es de 7,87. Funde entre 1536 y 1539 ºC, reblandeciéndose antes de llegar a esa temperatura; no obstante, si se alea con carbono (C), la temperatura de fusión baja. El hierro puro es un buen conductor de la electricidad y se imanta fácilmente.

Variedades alotrópicas del hierro puro

A continuación, se indican las variedades alotrópicas según las temperaturas de transformación:

• Hierro alfa (α): Se presenta desde temperatura ambiente hasta los 768 ºC. Posee una estructura cúbica centrada en el cuerpo (BCC) y es muy magnética.
• Hierro beta (β): Se sitúa entre los 768 y 910 ºC. Mantiene una estructura cúbica centrada y es poco magnética.
• Hierro gamma (γ): Se presenta de los 910 a los 1400 ºC. Posee una estructura cúbica centrada en las caras (FCC) y no es magnética.
• Hierro delta (δ): De los 1400 ºC a los 1539 ºC. Presenta una estructura cúbica centrada y es débilmente magnética.

Clasificación de las aleaciones según su composición

Según el porcentaje de carbono (C), las aleaciones se clasifican en:

Aceros (0 - 1,76% C)

• Aceros hipoeutectoides (0 - 0,89% C): Compuestos por ferrita y perlita.
• Aceros hipereutectoides (0,89 - 1,76% C): Compuestos por cementita y perlita.

Fundiciones (1,67 - 6,67% C)

• Fundiciones hipoeutectoides (1,67 - 4,3% C): Compuestas por perlita y cementita (proeutectoide y eutectoide).
• Fundiciones hipereutectoides (4,3 - 6,67% C): Compuestas por perlita y cementita (proeutectoide, proeutéctica y eutectoide).

Diferencias entre acero y fundición

Los aceros contienen de un 0 a un 1,67% de C, se pueden alear con otros elementos para formar aceros especiales y son fácilmente forjables. En cambio, las fundiciones contienen entre un 1,67 y un 6,67% de C y no son forjables.

Constituyentes de las aleaciones hierro-carbono

Los principales constituyentes son: ferrita, cementita, perlita, austenita, martensita, troostita, sorbita, bainita, ledeburita, steadita y grafito.

Características de la ferrita

Se la puede considerar como hierro alfa puro (máxima solubilidad del carbono en el hierro alfa de 0,02% a 723 ºC). Es magnética, posee una resistencia mecánica de 28 kp/mm², un alargamiento del 34-40% y una dureza de 90 HBS.

Características de la perlita

Está compuesta por un 86,5% de ferrita y un 13,5% de cementita (0,89% C). Posee una dureza de 200 HBS, una resistencia mecánica de 80 kp/mm² y un alargamiento del 15%. Presenta una estructura laminar.

Características de la cementita

Es carburo de hierro y contiene un 6,67% de C. Es el constituyente más duro y frágil. Su alargamiento es del 0% y su resistencia es de 3 kp/mm².

Martensita

Es el constituyente más duro después de la cementita; esto puede deberse a la tensión que producen sus cristales en la deformación. Es una sobresaturación de carbono en el hierro alfa y se obtiene enfriando rápidamente el acero caliente. Posee una estructura tetragonal. Contiene hasta un 0,98% de C, con una resistencia mecánica de entre 175 y 250 kp/mm² y un alargamiento entre el 0,5 y 2,5%.

Austenita

Es el constituyente más denso de los aceros y procede del hierro gamma (γ). Contiene entre 0 y 1,76% de C. Empieza a formarse a 723 ºC; a temperatura ambiente se podría formar, pero acabaría transformándose en ferrita y perlita.

Tres clases de estructuras en las aleaciones

1. Estructura cristalina.
2. Estructura micrográfica.
3. Estructura macrográfica.

Influencia de la estructura micrográfica

Su principal característica es el grano, por lo que se tiene muy en cuenta su formación. El grano crece conforme se elevan las temperaturas, influyendo también el tiempo de exposición. Si el grano es demasiado grande, las propiedades mecánicas empeoran y el material deberá someterse a un recocido, excepto para mejorar la maquinabilidad. Se considera un acero normal cuando su grano está entre los niveles 6 y 7.

Inclusiones metálicas en las aleaciones

Pueden presentarse de las siguientes formas:

• En forma de carburos: Elementos como Cr, Mo, W, Mn y V se combinan con el C para formar carburos más duros que la cementita. Forman parte de los aceros rápidos, aportando dureza y resistencia a altas temperaturas.
• Disueltos en la ferrita: El Ni, Cr, Si, Mn, Cu y P se pueden disolver en la ferrita formando soluciones sólidas.
• Emulsionados: Con más del 0,6% de Cu y Pb, estos elementos se pueden encontrar en "bolsas" dentro del acero, otorgando propiedades especiales.