Transformaciones del Hierro y sus Aleaciones con Carbono: Fases y Microestructuras
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Transformaciones del Hierro y sus Aleaciones con Carbono
Fases del Hierro Puro
El hierro puro experimenta varias transformaciones alotrópicas a medida que se calienta o enfría. Estas transformaciones se caracterizan por cambios en su estructura cristalina y propiedades magnéticas.
Hierro alfa (α): A temperatura ambiente, el hierro presenta una estructura cristalina cúbica centrada en el cuerpo (BCC). Esta fase, conocida como ferrita, es magnética y tiene una baja solubilidad de carbono debido a sus pequeños espacios interatómicos. A 768°C, el hierro alfa pierde su magnetismo, transformándose en una fase transitoria.
Hierro beta (β): Entre 768°C y 900°C, el hierro mantiene la estructura BCC, pero pierde sus propiedades magnéticas. Esta fase es esencialmente hierro alfa no magnético. Los espacios interatómicos son ligeramente mayores que en la fase alfa.
Hierro gamma (γ): Entre 900°C y 1400°C, el hierro adopta una estructura cristalina cúbica centrada en las caras (FCC). Esta fase, conocida como austenita, tiene espacios interatómicos más grandes, lo que le permite disolver hasta un 2% de carbono. La austenita es una solución sólida de carbono en hierro gamma y es estable solo a altas temperaturas.
Hierro delta (δ): Entre 1400°C y su punto de fusión a 1539°C, el hierro vuelve a la estructura BCC. Esta fase es similar al hierro alfa en términos de estructura cristalina.
Constituyentes en las Aleaciones Hierro-Carbono
Las aleaciones hierro-carbono, como los aceros y las fundiciones, presentan una variedad de microestructuras dependiendo de su composición y tratamiento térmico. Los principales constituyentes son:
Austenita: Es una solución sólida de carbono en hierro gamma (FCC). Es el punto de partida para muchos tratamientos térmicos y puede estabilizarse a temperatura ambiente mediante la adición de elementos como cromo (Cr) y níquel (Ni). Algunos aceros inoxidables son austeníticos.
Ferrita: Es esencialmente hierro alfa casi puro, con una solubilidad de carbono de aproximadamente 0.008% a temperatura ambiente. Es el constituyente más blando y dúctil de los aceros.
Cementita: Es un compuesto intermetálico de carburo de hierro (Fe3C) con un 6.67% de carbono y un 93.33% de hierro. Es el constituyente más duro y frágil de los aceros.
Perlita: Es una microestructura laminar compuesta por capas alternas de ferrita (86.5%) y cementita (13.5%). Tiene propiedades intermedias entre la ferrita y la cementita, siendo más dura y resistente que la ferrita, pero más blanda y dúctil que la cementita.
Ledeburita: Es una mezcla eutéctica de austenita y cementita que se forma a 1130°C en aleaciones con más del 2% de carbono. A temperatura ambiente, la austenita en la ledeburita se transforma en perlita.
Transformaciones en Aleaciones con Diferentes Contenidos de Carbono
Aleación con 0.8% de Carbono (Acero Eutectoide)
Al enfriar lentamente una aleación con 0.8% de carbono desde la fase austenítica, la austenita se transforma completamente en perlita a 723°C. La cementita en la perlita se vuelve magnética por debajo de 210°C.
Aleación con 3% de Carbono (Fundición Hipereutéctica)
En una aleación con 3% de carbono, la solidificación comienza a 1270°C con la formación de cristales de austenita. A 1130°C, la austenita tiene un 2% de carbono y el líquido restante un 4.3%. Este líquido se solidifica bruscamente formando ledeburita. Al continuar el enfriamiento, la austenita y la ledeburita pierden carbono, que se utiliza para formar más cementita. A 723°C, la austenita restante se transforma en perlita. La microestructura final a temperatura ambiente consiste en perlita, cementita proeutectoide (formada antes de la reacción eutéctica) y cementita eutéctica (formada durante la reacción eutéctica). Al igual que en el caso anterior, la cementita se vuelve magnética por debajo de 210°C.
Estos ejemplos ilustran cómo la composición de carbono y la velocidad de enfriamiento influyen en las transformaciones de fase y la microestructura resultante en las aleaciones hierro-carbono. Estas microestructuras, a su vez, determinan las propiedades mecánicas del material.