EL DIAGRAMA DE EQUILIBRIO HIERRO CARBONO

DIAGRAMA HIERRO CARBONO

El estado actual del diagrama de equilibrio de las aleaciones hierro-carbono fue establecido como resultado de las investigaciones hechas por varios científicos. La elaboración de este diagrama fue empezada por D. Chernov, quien estableció en 1968 los puntos críticos del acero. Más tarde volvió a estudiar reiteradamente este diagrama. N. Gutovski, M. Wittorft, Roberts Austen, Roozebom hicieron una gran aportación al estudio de este diagrama. Los últimos datos acerca del diagrama están expuestos en las obras de I. Kornilov.

Las aleaciones hierro-carbono pertenecen al tipo de aleaciones que forman una composición química.

El carbono se puede encontrar en las aleaciones hierro-carbono, tanto en estado ligado (Fe3C), como en estado libre (C, es decir, grafito), por eso, el diagrama comprende dos sistemas:

· Fe-Fe3C (metalestable); este sistema está representado en el diagrama con líneas llenas gruesas y comprende aceros y fundiciones blancas, o sea, las aleaciones con el carbono ligado, sin carbono libre (grafito);

· Fe-C (estable); en el diagrama se representa con líneas punteadas; este sistema expone el esquema de formación de las estructuras en las fundiciones grises y atruchadas donde el carbono se encuentra total o parcialmente en estado libre (grafito).

Para estudiar las transformaciones que tienen lugar en aceros y fundiciones blancas se emplea el diagrama Fe-Fe3C, y para estudiar fundiciones grises, ambos diagramas (Fe-Fe3C y Fe-C).

La temperatura a que tienen lugar los cambios alotrópicos en el hierro está influida por elementos de aleación, de los cuales el más importante es el carbono. En la figura # 01 muestra la porción de interés del sistema de aleación hierro - carbono. Esta la parte entre hierro puro y un compuesto intersticial, carburo de hierro,
, que contiene 6.67 % de carbono por peso; por tanto, esta porción se llamará diagrama de equilibrio hierro - carburo de hierro. Este no es un verdadero diagrama de equilibrio, pues el equilibrio implica que no hay cambio de fase con el tiempo; sin embargo, es un hecho que el compuesto carburo de hierro se descompondrá en hierro y carbono (grafito).

Las reacciones eutéticas y eutectoides difieren entre sí, en más de un aspecto importante. Las reacciones eutéticas implican el paso de una fase líquida a dos fases sólidas mientras que las reacciones eutectoides se efectúa totalmente dentro del estado sólido. La siguiente es una expresión general de la reacción eutectoide:

ððððγðcalor

en donde ð, ð y γ son fases sólidas y, a menudo, soluciones sólidas.

La reacción eutectoide más importante es la que se produce en los aceros. Es necesario contar con la comprensión definida de las reacciones eutéticas y las eutectoides, para poder entender lo referente a los aceros al carbono y para estar capacitados para interpretar debidamente el diagrama del hierro carburo de hierro que es, probablemente, el más importante de todos los diagramas de equilibrio de los metales.

Figura # 01

La figura # 01 se ilustra con un diagrama simplificado del hierro carburo de hierro. Como indica el nombre de este diagrama, se considera que los componentes son hierro y carburo de hierro, sin embargo es más conveniente representar la composición en relación con el porcentaje de carbono, más que por el carburo de hierro (Fe3C). Si el diagrama hierro carburo de hierro se divide en dos partes, una superior a 1700 ºF (927 ºC) y la otra inferior a esta misma temperatura, es evidente que la primera se relaciona con una reacción eutética, y la segunda, con una reacción eutectoide.

EL HIERRO Y SUS SOLUCIONES SÓLIDAS INTERSTICIALES

2.0) Aleaciones que son soluciones sólidas. Una aleación es una solución sólida, cuando los átomos del elemento soluto se introducen en la red cristalina del elemento disolvente sin modificar su forma. La microestructura (o sea la vista al microcopio de los granos) de una solución sólida, presenta granos homogéneos también parecidos a los granos del elemento disolvente, y por medio del análisis químico pueden identificarse las diferentes sustancias; por lo tanto las soluciones sólidas son monofásicas ya que solo tienen un tipo de granos. Se tiene dos tipos de soluciones sólidas: Las soluciones sólidas de sustitución, que son aquellas en las que los átomos del elemento disuelto (soluto) ocupan los nudos de los átomos del elemento disolvente en su red cristalina, sin modificarla, siendo ambos casi del mismo tamaño, y las soluciones sólidas intersticiales las cuales son aquellas en las que los átomos del elemento soluto se sitúan en los intersticios, entre los átomos del elemento disolvente, siendo el tamaño de los átomos del elemento disuelto aproximadamente de la mitad del tamaño de los átomos de este último. En la figura 3, se presenta la disposición de los átomos (iones) en la estructura cristalina de los dos tipos de soluciones sólidas: las de sustitución y las intersticiales. Las aleaciones hierro carbono se presentan siempre como soluciones sólidas intersticiales, y ellas son la Ferrita que es hierro a con carbono intersticial y la Austerita, que es hierro ? con carbono intersticial.

2.1. Ferrita De acuerdo con lo explicado líneas arriba, la solución sólida intersticial de carbono en el hierro se llama ferrita. El hierro casi no disuelve carbono, la solubilidad máxima de carbono en el hierro es de 0.025% a una temperatura de 723º C y de 0.0025% a 20º C. La solubilidad del carbono en el hierro d es de 0.1% a 1490º C. La ferrita d es estable únicamente a temperaturas muy elevadas y no tiene significado práctico en la ingeniería. La ferrita es la estructura mas blanda y dúctil de las aleaciones hierro- carbono, es magnética desde la temperatura ambiente hasta 768º C. Las propiedades promedio son: resistencia a la rotura de 28 Kg/mm2, elongación 40% en 2 pulg., de lo 6.2. Austenita La solución sólida intersticial del carbono en el hierro ? se llama austenita. La austenita posee buena ductilidad y por lo tanto buena formabilidad. Esta estructura tiene una solubilidad del carbono de hasta 2.11%C a 1148º C. Gracias a que la estructura cúbica centrada en el cuerpo (f. c .c., por sus siglas en inglés) tiene posiciones intersticiales más amplias que la ferrita, se facilita que se alojen los átomos de carbono y otros como níquel y manganeso, lo que le imparte varias propiedades al acero. Generalmente la austenita no es estable a la temperatura ambiente. Las propiedades promedio son: resistencia a la rotura de 100 Kg/mm2; elongación 10% en 2 pulg.; dureza, de 300 Brinell aproximadamente; y tenacidad alta. No es magnética. 2.2. Austenita La solución sólida intersticial del carbono en el hierro ? se llama austenita. La austenita posee buena ductilidad y por lo tanto buena formabilidad. Esta estructura tiene una solubilidad del carbono de hasta 2.11%C a 1148º C. Gracias a que la estructura cúbica centrada en el cuerpo (f. c .c., por sus siglas en inglés) tiene posiciones intersticiales más amplias que la ferrita, se facilita que se alojen los átomos de carbono y otros como níquel y manganeso, lo que le imparte varias propiedades al acero. Generalmente la austenita no es estable a la temperatura ambiente. Las propiedades promedio son: resistencia a la rotura de 100 Kg/mm2; elongación 10% en 2 pulg.; dureza, de 300 Brinell aproximadamente; y tenacidad alta. No es magnética. 2.3. Cementita Como se había mencionado, el hierro con el carbono forma también una combinación química, el carburo de hierro Fe3 C, llamada cementita. El contenido de carbono en la cementita es de 6.67%. La cementita tiene una red cristalina ortorrómbica compleja. La temperatura de fusión de la cementita no se ha podido establecer con exactitud y se considera aproximadamente igual a 1550º C. A una temperatura inferior a los 217º C la cementita es ferromagnética. La cementita (del latín cementum que significa "astillas de piedra"), también se conoce como carburo. Este carburo no debe ser confundido con otros carburos que se utilizan en dados, herramientasde corte y abrasivos, como el carburo de tungsteno, el carburo de titanio y el carburo de silicio. La cementita es un compuesto intersticial muy duro y frágil, con una dureza de 700 Brinell y tiene una influencia significativa en las propiedades de los aceros, tiene una baja resistencia a la tensión, pero tiene una alta resistencia a la compresión, es la estructura mas dura que se presenta en las aleaciones hierro- carbono. En las micrografías, la cementita se presenta en forma de una red clara alrededor de los granos de la otra fase sólida que exista en la aleación

2.4. Perlita

La perlita es una mezcla mecánica de ferrita y cementita, que contiene 0.8% de carbono, se presenta en el área de los aceros ( los aceros tiene un porcentaje de carbono que va de 0 a 2.14 %)

En todas las aleaciones hierro carbono, debajo de 727ºC a un enfriamiento muy lento, se lleva a cabo la reacción eutectoide (una reacción eutectoide es aquella en la que al enfriarse una fase sólida se transforma en dos fases sólidas nuevas), en la cual, la austenita( una fase sólida) se descompone en una mezcla mecánicamuy fina de láminas estratificadas de ferrita (fase sólida nueva) y cementita ( la otra fase sólida nuieva), llamada perlita , la micrografia de la perlita se presenta en la siguiente figura 10 y como se ve tiene tipo huella dactilar. Las propiedades promedio son: resistencia a la tensión, 80 Kg/mm2; elongación, 20% en 2 pulg; dureza de 260 Brinell.

EL HIERRO PURO

La Siderurgia es la rama de la metalurgia que estudia todo lo referente a la extracción, transformación y aplicaciones del hierro. Minerales. El hierro se encuentra en estado natural en Groenlandia, y en estado de combinación es muy abundante en la corteza terrestre, constituyendo un 5% de la misma. Los minerales de hierro más usados como materia prima para la obtención de este metal son: Magnetita, cuyo yacimiento más importante se encuentran en Suecia, España y EE.UU. En la Rep. Dom. Existen pequeños yacimientos de este mineral. Siderita, se halla principalmente en Inglaterra. Hematita, existen yacimiento en Estados Unidos, Alemania, Rusia y España. Hierro Puro. El hierro químicamente puro (Fe) es un elemento de color gris azulado, que funde a 1,259 C. No tiene aplicación en la construcción, por lo que relegamos su estudio a la química. El hierro que se encuentra en el mercado y se utiliza en la industria no es puro, sino una aleación de hierro y carbono. Obtención del Hierro. En la industria, el procedimiento más normal de obtención del hierro, partiendo de los minerales, es la reducción de éstos por carbón. El proceso simplificado consiste en tratar el óxido de hierro con el carbonato, formándose óxido de carbonato y hierro libre. Si se trata el óxido de carbono con más óxido de hierro, se forma anhídrido carbónico y más hierro libre. En el proceso indirecto se empieza por reducir el óxido de hierro par obtener colado o fundición.

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La información te permitira conocer los aceros