Metalurgia Física: Diagramas de Equilibrio y Microestructuras del Acero

Diagramas de Fase y Microestructuras en Aleaciones Metálicas

Diagramas de Equilibrio de Aleaciones Totalmente Solubles en Estado Sólido y Líquido: El Caso Cobre-Níquel

A 1400ºC y 1300ºC, la aleación cobre-níquel se encuentra en estado líquido, compuesta por un 40% de cobre y un 60% de níquel. Al cruzar la línea de líquidos, comienzan a solidificarse los primeros cristales, estableciéndose un equilibrio entre la fase sólida y la fase líquida.

A 1250ºC, se determina la cantidad de líquido y sólido, así como los porcentajes presentes en cada una de las fases. A esta temperatura, la intersección con la línea de líquidos indica un 33.5% de cobre, y la intersección con la línea de sólidos muestra un 51% de níquel en fase sólida.

Diagramas de Equilibrio de Aleaciones Totalmente Solubles en Líquido e Insolubles en Sólidos

En este tipo de diagrama, en una parte se mezclan los componentes A + (A+B), y en la otra parte del diagrama se mezcla B + (A+B). Esto representa sistemas con una solubilidad limitada o nula en estado sólido, lo que a menudo conduce a la formación de eutécticos.

Constituyentes Fundamentales del Acero

Ferrita (Feα)

La Ferrita es una solución sólida intersticial de carbono en hierro alfa (Feα). Se denomina hierro alfa puro. Sus características principales son:

• Es soluble a temperatura ambiente.
• Es blanda y dúctil.
• Es ferromagnética.
• Aparece en aceros y fundiciones de forma variada, como elemento de partícula o en formas de láminas separadas por láminas de cementita.
• Cuando el temple ha sido incompleto, puede aparecer junto a la martensita.

Cementita (Fe₃C)

La Cementita es un carburo de hierro (Fe₃C). Es el constituyente más duro y frágil de los aceros al carbono y cristaliza en la red ortorrómbica. Puede encontrarse de forma muy variada, como:

• Cementita secundaria: Precipita de la austenita o ferrita.
• Cementita eutectoide: Parte de la perlita.
• Cementita terciaria: Precipita de la ferrita a bajas temperaturas.

Tipos de Cementita según su Formación

• Cementita no libre: Aparece con la ferrita formando láminas alternas de Fe₃C y Feα, constituyendo la perlita.
• Cementita libre: Puede ser cementita secundaria y aparece en los aceros formando una red que rodea a la perlita. La cementita terciaria aparece por la disminución de la solubilidad del carbono en ferrita a temperaturas inferiores a la de transformación eutectoide en aceros bajos en carbono.

Perlita

La Perlita está formada por capas alternas de ferrita y cementita. Posee una elevada dureza y resistencia a la tracción. Se forma durante el enfriamiento lento de la austenita.

Austenita (Feγ)

La Austenita es el constituyente más denso de los aceros y está formado por una solución sólida de carbono en hierro gamma (Feγ). La austenita no es estable a temperatura ambiente (en aceros al carbono simples) y está formada por cristales cúbicos centrados en las caras (FCC). Tiene una elevada dureza, es resistente a la tracción y no es magnética.

Martensita

La Martensita es una solución sólida sobresaturada de hierro-carbono. Se genera a partir de una transformación de fases sin difusión, a una altísima velocidad de enfriamiento (temple). La martensita es el constituyente más duro después de la cementita. Sus propiedades varían: a mayor contenido de carbono, se genera una martensita más dura, resistente y frágil.

Troostita

La Troostita se obtiene por enfriamiento de la austenita a velocidades inferiores a las de temple, o mediante un enfriamiento isotérmico a temperaturas entre 500 y 600ºC. Es una microestructura fina de ferrita y cementita.

Sorbita

La Sorbita se obtiene por enfriamiento de la austenita a velocidades inferiores a las empleadas en la obtención de la troostita. También puede obtenerse por enfriamiento isotérmico de la austenita. Es una microestructura más gruesa que la troostita, también compuesta por ferrita y cementita.

Bainita

La Bainita se obtiene por temple bainítico o enfriamiento isotérmico de la austenita a temperaturas entre 250 y 600ºC. Se diferencian dos tipos de bainitas en función de la temperatura de transformación isotérmica:

• Bainita Superior: Se obtiene por transformaciones isotérmicas a temperaturas entre 500 y 550ºC.
• Bainita Inferior: Se obtiene a temperaturas entre 250 y 400ºC.

Procesos de Enfriamiento y Solidificación en Aceros

Enfriamiento (Solidificación) de un Acero Hipoeutectoide

A 1500ºC, comienza la solidificación de una solución sólida de carbono en hierro delta (Feδ). Al seguir enfriando, el líquido se transforma en hierro gamma (Feγ) o austenita, proceso que se da hasta los 880ºC. A medida que la temperatura desciende, se produce la reacción eutectoide, y la austenita se transforma en hierro alfa (Feα) y cementita (formando perlita). Al llegar a 768ºC (temperatura de Curie), el hierro alfa se vuelve magnético.

Nota: La mención de "hierro beta" es una terminología antigua para la ferrita por debajo de su temperatura de Curie, que no implica un cambio de fase cristalina. Se ha corregido a "hierro alfa" y se ha añadido la explicación de la magnetización.

Enfriamiento (Solidificación) de una Aleación Hipereutéctica

El primer sólido cristalizado se produce a 1400ºC, formando cementita proeutectoide. Al cruzar los 1130ºC, solidifica formando ledeburita (eutéctico de austenita y cementita). Siguiendo el enfriamiento hasta temperatura ambiente, se obtiene cementita proeutéctica y, además, la austenita se transforma en perlita a los 723ºC (temperatura eutectoide).