Transformaciones de Fase en Aleaciones Hierro-Carbono: Un Análisis Detallado

Enfriamiento en Equilibrio

Aleación 1. Reacción Eutéctica

Se enfría desde T₀ hasta T_E (mezcla líquida homogénea). En T_E comienza y termina la solidificación a temperatura constante, dando lugar a una mezcla de dos fases: sólido A (punto F) y sólido B (punto G). Resultando una mezcla muy fina de granos de A y B puros, que se conoce como eutéctica.

Aleación 2. Aleación Hipoeutéctica

A partir de T₁ comienza a solidificar sólido A puro, aumentando la concentración de B en el líquido. En T₂ el sólido continúa siendo A puro y el líquido está enriquecido en B. En T_E el líquido sufre la reacción eutéctica solidificando la mezcla eutéctica (A+B). Las aleaciones hipoeutécticas, una vez solidificadas, constarán de A primario o proeutéctico y mezcla eutéctica. A mayor proximidad de E en la composición de la aleación, mayor será el porcentaje de mezcla eutéctica respecto del metal puro.

Aleación 3. Aleación Hipereutéctica

Sigue el mismo proceso descrito anteriormente, aunque en este caso el resultado será una aleación compuesta de sólido B + mezcla eutéctica.

Aleación con Solubilidad Total en Estado Líquido y Parcial en Estado Sólido

Es el sistema más frecuente e importante ya que la mayoría de los metales muestran alguna solubilidad en estado sólido. Hay 4 aleaciones diferentes. Nunca cristalizan A y B puros, sino en forma de soluciones sólidas (α y β) de una sola fase.

Curvas Solvus

Indican las solubilidades máximas de B en A (solución α) o de A en B (solución β), en función de la temperatura. Al descender la temperatura, baja la solubilidad. La línea horizontal en T_E indica la reacción eutéctica, que en este caso se producirá para un intervalo de composiciones.

Enfriamiento Lento de Algunas Aleaciones

Aleación 1

Proceso exacto al de una aleación de solubilidad total.

Aleación 2. Reacción Eutéctica

E(SSα + SSβ). Por debajo de T_E, debido al cambio de solubilidad de B en A y de A en B, dado por las curvas de solvus, habrá un cambio en las cantidades relativas de α y de β hasta temperatura ambiente, rompiéndose la eutéctica.

Aleación 3

Empieza a cristalizar la SSα rica en A. A medida que la temperatura disminuye, el líquido se hace más rico en B. Cuando llegamos a T_E el líquido que resta sufre la reacción eutéctica E(SSα + SSβ). Al bajar la temperatura, baja la solubilidad de B en A, precipitando B (cristales aparte de la SSβ en E). Se rompe la eutéctica quedando SSα + SSβ en los bordes de grano.

Aleación 4

Sigue el mismo proceso que la aleación 1. El punto P es una solución sólida insaturada de B. En el punto Q la SSα se satura de B. B precipita formando SSβ a partir de Q. A temperatura ambiente la aleación consistirá fundamentalmente en granos de SSα con pequeñas cantidades de SSβ alojadas en las fronteras de grano.

Estados Alotrópicos del Hierro

El hierro en su enfriamiento sufre una serie de transformaciones alotrópicas de su estructura cristalina:

• Feα (Ferrita): Es un microconstituyente que cristaliza en BCC, se forma a partir de T_s = 768 ºC, no disuelve apenas al C siendo la solubilidad máxima de 0,02% a 768ºC y tiene carácter magnético.
• Feβ (Ferrita diamagnética): Cristaliza en BCC y está presente entre 768 y 900/910 ºC. Se diferencia del Feα en que no tiene carácter magnético.
• Feγ (Austenita): Se forma entre 900/910 ºC y 1400 ºC en FCC ya que disuelve fácilmente al carbono con solubilidad máxima de 1,76 % a 1130 ºC. No tiene propiedades magnéticas.
• Feδ: Está presente a partir de 1400 ºC en BCC. Tiene propiedades magnéticas. A nivel industrial no es interesante. La solubilidad máxima en carbono es del 0.08 % a 1487 ºC.

Las temperaturas de los cambios alotrópicos no coinciden durante los procesos de enfriamiento y calentamiento. Histéresis: Resistencia que tienen los sistemas cristalinos a transformarse, que hace que cambien los puntos críticos de transformación de su estructura con la velocidad de enfriamiento o calentamiento.

Constituyentes de las Aleaciones Fe-C

Aceros

Aleaciones con contenidos de C comprendidos entre un 0.008 % y 1.88 %. Se pueden alear con otros elementos formando aceros aleados o especiales: Aceros inoxidables, aceros rápidos, aceros de herramientas, etc.

Fundiciones

Aleaciones con contenidos de C entre 1,88 % y 6,67 % de C. La máxima proporción de C que puede disolver el Fe es del 6,67 %, formándose a partir de esta proporción un compuesto químico: cementita (Fe₃C - Carburo de hierro). Todas las aleaciones Fe-C normalmente presentan otros constituyentes (P, S, Si, Ni…) que se consideran como impurezas a la hora del estudio del diagrama de equilibrio. Sólo se tienen en cuenta en aceros aleados y especiales que intervienen en mayor proporción y en los tratamientos térmicos.

Constituyentes de los Aceros

Con enfriamiento suficientemente lento en los aceros se pueden encontrar los siguientes constituyentes:

• Ferrita (Feα) casi puro, magnético. Cristaliza en BCC con un parámetro de 2,85 Å. Es el más blando y dúctil de los constituyentes. Es magnética hasta los 768 ºC (Feβ).
• Cementita (Fe₃C, carburo de hierro). Es el constituyente más duro y frágil. Cristaliza en el sistema ortorrómbico. Es magnética a temperatura ambiente, pero pierde su magnetismo a 210 ºC.
• Perlita. Eutectoide de ferrita y cementita (transformación similar a la eutéctica pero en estado sólido por pérdida de solubilidad). Compuesta por el 86.5 % de Ferrita α y el 13,5 de cementita. Tiene dureza media (200 HB) y características resistentes medias.
• Austenita. (Feγ) En su enfriamiento se descompone en ferrita y cementita. Sólo es estable entre 1400 y 900 ºC. Es bastante resistente, dúctil y tenaz, con resistencia al desgaste elevada. No es magnética y es el constituyente más denso (FCC). Con tratamientos térmicos adecuados se puede retener a temperatura ambiente.

Constituyentes de las Fundiciones

• Ledeburita. Es un constituyente eutéctico que se forma a 1130 ºC. En su enfriamiento se transforma en cementita y perlita. Sólo existe con tratamientos térmicos.
• Grafito. Surge con velocidad de enfriamiento muy lenta como descomposición de la cementita en presencia de Si. Es blando y gris oscuro. Ejerce influencia importante en las propiedades de las fundiciones ofreciéndoles maleabilidad y ductilidad.
• Steadita. Es un constituyente eutéctico duro y frágil de bajo punto de fusión (960 ºC) que surge en las fundiciones con contenido en P de como mínimo de un 10 %.

Propiedades Generales de los Aceros y Fundiciones

Los constituyentes que entran a formar parte de la estructura de las aleaciones Fe-C determinan las características de las mismas. Existe un componente matriz que es el que entra en mayor proporción y que le confiere sus propiedades.

• Aceros hipoeutectoides: Están constituidos por perlita y ferrita. Son dúctiles y tenaces ya que la ferrita es el constituyente matriz. La perlita hace aumentar la resistencia como refuerzo externo.
• Aceros eutectoides: Están formados por perlita, con un 0.88 % de C. Tienen sus mismas propiedades.
• Aceros hipereutectoides: Están formados por cementita más perlita. Son duros y frágiles ya que la cementita es el constituyente matriz.
• Fundiciones: Perlita más cementita. Son duras y frágiles y no son aptas para la forja (fundición blanca). Con tratamientos térmicos se puede transformar la cementita en grafito obteniendo fundición gris que es más maleable y de propiedades similares a las de los aceros.