Diagrama Fe-C. Tratamientos térmicos en los aceros

Temas a desgranar:

• Obtención del Hierro y su uso industrial;
• Producción del acero;
• Clasificación de los aceros por %C;
• Estructuras cristalográficas del acero.
• ¿Qué son los constituyentes de los aceros?
• ¿Relación de los constituyentes con los granos de los aceros?
• ¿Relación de los constituyentes con los cristales de los aceros?
• Distintos constituyentes que se forman en los aceros atendiendo a su %C y enfriamento lento;
• Relación entre tamaño y forma de grano y las características físicas de los acero.
• Tratamientos térmicos en los aceros. Influencia en las propiedades mecánicas y por tanto en los constituyentes;
• Diagramas de enfriamiento (curvas de s);

DIAGRAMA Fe-C TRATAMIENTOS TERMICOS DE LOS ACEROS

Hierro: Su símbolo es el Fe este metal de transición es el cuarto elemento más abundante en la corteza terrestre, representando un 5 % y, entre los metales, solo el aluminio es más abundante; y es el primero más abundante en masa planetaria, debido a que el planeta en su núcleo, se concentra la mayor masa de hierro nativo equivalente a un 70 %. El núcleo de la Tierra está formado principalmente por hierro y níquel en forma metálica, generando al moverse un campo magnético. Ha sido históricamente muy importante, y un período de la historia recibe el nombre de Edad de Hierro.

Es un metal maleable, de color gris plateado y presenta propiedades magnéticas; es ferromagnético a temperatura ambiente y presión atmosférica. Es extremadamente duro y denso.
Se encuentra en la naturaleza formando parte de numerosos minerales, entre ellos muchos óxidos, y raramente se encuentra libre. Para obtener hierro en estado elemental, los óxidos se reducen con carbono y luego es sometido a un proceso de refinado para eliminar las impurezas presentes.
Es el elemento más pesado que se produce exotérmicamente por fusión, y el más ligero que se produce a través de una fisión, debido a que su núcleo tiene la más alta energía de enlace por nucleón.

 El hierro es el metal duro más usado, con el 95 % en peso de la producción mundial de metal. El hierro puro (pureza a partir de 99,5 %) no tiene demasiadas aplicaciones, salvo excepciones para utilizar su potencial magnético. El hierro tiene su gran aplicación para formar los productos siderúrgicos, utilizando éste como elemento matriz para alojar otros elementos aleantes tanto metálicos como no metálicos, que confieren distintas propiedades al material. Se considera que una aleación de hierro es acero si contiene menos de un 2,1 % de carbono; si el porcentaje es mayor, recibe el nombre de fundición.
El acero es indispensable debido a su bajo precio y tenacidad, especialmente en automóviles, barcos y componentes estructurales de edificios.
Las aleaciones férreas presentan una gran variedad de propiedades mecánicas dependiendo de su composición o el tratamiento que se haya llevado a cabo.



 

 Acero:  Mezcla de hierro con una cantidad de carbono variable entre el 0,03 % y el 2,14 % en masa de su composición, dependiendo del grado. Si la aleación posee una concentración de carbono mayor al 2,14 % se producen fundiciones que, en oposición al acero, son mucho más frágiles y no es posible forjarlas sino que deben ser moldeadas.

Dependiendo de su contenido de carbono se clasifican de diferentes formas:

Acero bajo en carbono: menos del 0,25 % de C en peso. Son blandos pero dúctiles. Se utilizan en vehículos, tuberías, elementos estructurales, etcétera. También existen los aceros de alta resistencia y baja aleación, que contienen otros elementos aleados hasta un 10 % en peso; tienen una mayor resistencia mecánica y pueden ser trabajados fácilmente.

Acero medio en carbono: entre 0,25 % y 0,6 % de C en peso. Para mejorar sus propiedades son tratados térmicamente. Son más resistentes que los aceros bajos en carbono, pero menos dúctiles; se emplean en piezas de ingeniería que requieren una alta resistencia mecánica y al desgaste.

Acero alto en carbono: entre 0,60 % y 1,4 % de C en peso. Son aún más resistentes, pero también menos dúctiles. Se añaden otros elementos para que formen carburos, por ejemplo, con wolframio se forma el carburo de wolframio, WC; estos carburos son muy duros. Estos aceros se emplean principalmente en herramientas.

Aceros aleados: Con los aceros no aleados, o al carbono, es imposible satisfacer las demandas de la industria actual. Para conseguir determinadas características de resiliencia, resistencia al desgaste, dureza y resistencia a determinadas temperaturas deberemos recurrir a estos. Mediante la acción de uno o varios elementos de aleación en porcentajes adecuados se introducen modificaciones químicas y estructurales que afectan a la templabilidad, características mecánicas, resistencia a oxidación y otras propiedades.

 La composición química del acero al carbono, en general los aceros al carbono ordinarios contienen:
.carbono <1%
.magnesio<0.90%
.azufre<0.50%
.silicio<0.10%
.fosforo<0.10%

Aleaciones de bajo carbono de 0.2%C
Aleaciones al medio carbono entre 0.2 y 0.5%C
Aleaciones alto carbono mas de 0.5%C

Aceros extra suaves: el porcentaje de carbono en este acero es de 0.15% es un acero fácilmente soldable y deformable. Aplicaciones: Elementos de maquinaria de gran tenacidad ,deformación al frio, embutición, plegados, herrajes, etc...

 Aceros semisuaves: el porcentaje de carbono es de 0.35% Aplicaciones: Eje, elementos de maquinaria, piezas resistentes y tenaces, pernos, tornillos, herrajes.

Aceros semiduros: el porcentaje de carbono es de 0.45% Aplicaciones: Ejes y elementos de maquinas, piezas bastantes resistentes, cilindros de motores de explosión, transmisiones etc..

Aceros duros: El porcentaje de carbono es de 0.55% templa bien en agua y en aceite. Aplicaciones: Eje, transmisiones, tensores, piezas regularmente cargadas  y de espesores no muy elevados.

Aceros al carbono: Mas del 90% de los aceros son al carbono contienen menos de1.65% de magnesio el 0.60% de silicio y el 0.60% de cobre. Productos como maquinas, carrocerías del automóvil, estructuras de costruccion de acero, cascos de buques es una elección de composición química compleja.

Aceros ordinarios al  carbono que se usan en bruto de forja o laminación

Depende principalmente del porcentaje del carbono que contienen. Su contenido de carbono suele variar desde 0.03% a 0.70% en general los aceros ordinarios contienen: Mn<0.90%, Si<0.50%, P<0.10% S<0.10%.

En el diagrama de equilibrio o de fases Fe-C, se representan las transformaciones que sufren los aceros al carbono con la temperatura, admitiendo que el calentamiento (o enfriamiento) de la mezcla se realiza muy lentamente de modo que los procesos de difusión (homogeneización) tienen tiempo para completarse.

Uno de los materiales de fabricación y construcción más versátil, más adaptable y más ampliamente usado es el ACERO. A un precio relativamente bajo, el acero combina la resistencia y la posibilidad de ser trabajado, lo que se presta para fabricaciones mediante muchos métodos. Además, sus propiedades pueden ser manejadas de acuerdo a las necesidades específicas mediante tratamientos con calor, trabajo mecánico, o mediante aleaciones. Los materiales No Ferrosos son: aluminio, magnesio, zinc, cobre, plomo y otros elementos metálicos. Las aleaciones como el latón y el bronce, son una combinación de algunos de estos metales y se les denomina aleaciones No ferrosas.

El Acero es básicamente una aleación o combinación de hierro y carbono (intervalo de carbono de 0,08% – 1,76%), las aleaciones en cambio poseen una concentración de carbono mayor a 1,76% lo que permite crear fundiciones que en oposición al acero son quebradizas y no es posible forjarlas sino que deben ser moldeadas.

Diagrama Hierro  – Carbono (Fe-C)

Para el estudio de las estructuras de los aceros industriales se necesita, en primer lugar, conocer y manejar con soltura el diagrama hierro-carbono, que se muestra en la Figura 5.1. Esta figura representa en realidad dos diagramas, el metaestable hierro-carbono y el diagrama estable hierro-grafito. La cementita no es una fase estable, aunque dada la lentitud de su transformación, el diagrama metaestable es el que tiene un mayor interés práctico para el estudio de los aceros. El diagrama estable hierro-grafito solo tiene interés en el estudio de las fundiciones al silicio. [14]

En el diagrama de fase de Hierro – Carbono se observan las formas alotrópicas del hierro sólido, BCC y FCC, a distintas temperaturas:

Hierro alfa (α): Su estructura cristalina es BCC con una distancia interatómica de 2.86 Å. Su temperatura va desde 0º- 910ºC, es relativamente blanda, prácticamente no disuelve en carbono.

Hierro gamma (γ): También conocida como Austenita. Se presenta de 723 ºC a 1492 ºC. Cristaliza en la estructura cristalina FCC con mayor volumen que la estructura hierro alfa. Disuelve fácilmente en carbono (más deformable que la ferrita).

Sus propiedades mecánicas dependen del contenido de carbono, pero podríamos dar como valores medios representativos: Una dureza de 300HB, una carga de rotura de 900MPa a 1100 MPa y alargamientos comprendidos entre 30 y 60%. [14]

Hierro delta (δ): Está localizada desde 1400 ºC y presenta una reducción en la distancia interatómica que la hace retornar a una estructura cristalina BCC. Su máxima solubilidad de carbono es 0.08% a 1492 ºC. No posee una importancia industrial relevante. A partir de 1539 ºC se inicia la fusión del Hierro puro.

Tomando como base el diagrama metaestable hierro-carbono, se denominan aceros a las aleaciones binarias con contenidos en carbono menor que 1,76%, mientras que las fundiciones de hierro tienen contenidos en carbono superiores a 1,76% (hasta aproximadamente 6,67%). Este diagrama muestra con claridad el comportamiento fuertemente gammáge no del carbono: la adición de carbono al hierro γ aumenta el dominio térmico de estabilidad de la austenita. Así, por ejemplo, la temperatura de transformación del hierro γ en hierro α aumenta hasta 1492°C para un contenido en carbono del 0.18% (punto peritéctico del diagrama), mientras que la de la transformación de la austenita en ferrita disminuye hasta 723°C para la aleación con 0.89% de carbono. El diagrama metaestable hierro-carbono muestra tres puntos invariantes característicos:

• Punto peritéctico(1492°C): Fase líquida(0.4%C) + Fe δ (0.08%C) —>Fe γ (0.18% C)
• Punto eutéctico(1130°C):Fase líquida(4.3%C) –>Austenita(1,76%C)+Fe3C (6.67%C)
• Punto eutectoide(723°C):Austenita(0.89%C)–> Ferrita (0.025%C) + Fe3C (6.67%C)

Las lineas que delimitan las diferentes regiones del diagrama hierro-carbono identifican las situaciones en las que tienen lugar cambios estructurales: Las temperaturas de transformación se denominan temperaturas críticas, existiendo así tres temperaturas de especial interés: A1, A3 Y Acm. Las temperaturas A1 y A3 son las que respectivamente representan el inicio y el final de la transformación de la austenita desde el dominio donde están presentes las fases ferrita y cementita, mientras que se llama temperatura Acm a aquella que separa el dominio de estabilidad de la austenita de la zona bifásica austenita+cementita. Dado que estas transformaciones no ocurren exactamente a la misma temperatura al calentar y al enfriar, se denotan a veces como Ar o Ac para describir la transformación en el enfriamiento o en el calentamiento respectivamente.

Tratamientos térmicos del acero El tratamiento térmico en el material es uno de los pasos fundamentales para que pueda alcanzar las propiedades mecánicas para las cuales está creado. Este tipo de procesos consisten en el calentamiento y enfriamiento de un metal en su estado sólido para cambiar sus propiedades físicas. Con el tratamiento térmico adecuado se pueden reducir los esfuerzos internos, el tamaño del grano, incrementar la tenacidad o producir una superficie dura con un interior dúctil. La clave de los tratamientos térmicos consiste en las reacciones que se producen en el material, tanto en los aceros como en las aleaciones no férreas, y ocurren durante el proceso de calentamiento y enfriamiento de las piezas, con unas pautas o tiempos establecidos.
Para conocer a que temperatura debe elevarse el metal para que se reciba un tratamiento térmico es recomendable contar con los diagramas de cambio de fases como el de hierro-carbono. En este tipo de diagramas se especifican las temperaturas en las que suceden los cambios de fase (cambios de estructura cristalina), dependiendo de los materiales diluidos.
Los tratamientos térmicos han adquirido gran importancia en la industria en general, ya que con las constantes innovaciones se van requiriendo metales con mayores resistencias tanto al desgaste como a la tensión. Los principales tratamientos térmicos son:

Temple: Su finalidad es aumentar la dureza y la resistencia del acero. Para ello, se calienta el acero a una temperatura ligeramente más elevada que la crítica superior Ac (entre 900-950 °C) y se enfría luego más o menos rápidamente (según características de la pieza) en un medio como agua, aceite, etcétera.

Revenido: Sólo se aplica a aceros previamente templados, para disminuir ligeramente los efectos del temple, conservando parte de la dureza y aumentar la tenacidad. El revenido consigue disminuir la dureza y resistencia de los aceros templados, se eliminan las tensiones creadas en el temple y se mejora la tenacidad, dejando al acero con la dureza o resistencia deseada. Se distingue básicamente del temple en cuanto a temperatura máxima y velocidad de enfriamiento.
Recocido: Consiste básicamente en un calentamiento hasta la temperatura de austenización (800-925 °C) seguido de un enfriamiento lento. Con este tratamiento se logra aumentar la elasticidad, mientras que disminuye la dureza. También facilita el mecanizado de las piezas al homogeneizar la estructura, afinar el grano y ablandar el material, eliminando la acritud que produce el trabajo en frío y las tensiones internas.
Normalizado: Tiene por objetivo dejar un material en estado normal, es decir, ausencia de tensiones internas y con una distribución uniforme del carbono. Se suele emplear como tratamiento previo al temple y al revenido

Propiedades mecánicas:

Las características mecánicas de un material dependen tanto de su composición química como de la estructura cristalina que tenga. Los tratamientos térmicos modifican esa estructura cristalina sin alterar la composición química, dando a los materiales unas características mecánicas concretas, mediante un proceso de calentamientos y enfriamientos sucesivos hasta conseguir la estructura cristalina deseada.
Entre estas características están:
- Resistencia al desgaste: Es la resistencia que ofrece un material a dejarse erosionar cuando está en contacto de fricción con otro materia
- Tenacidad: Es la capacidad que tiene un material de absorber energía sin producir fisuras (resistencia al impacto).
- Maquinabilidad: Es la facilidad que posee un material de permitir el proceso de mecanizado por arranque de viruta.
- Dureza: Es la resistencia que ofrece un material para dejarse penetrar. Se mide en unidades BRINELL (HB), unidades ROCKWEL C (HRC), VICKERS (HV),etc.Dureza Vickers mediante el test del mismo nombre.Tambien puede ser definido como la capacidad de un material de no ser rayado.