Diagrama Hierrro Carbono

Tema 4. Aleaciones Hierro-Carbono. Aceros y Fundiciones.

4.1. Diagrama Fe-C. 4.2. Aceros y fundiciones. 4.3. Aceros inoxidables. 4.4. Curvas TTT de aceros.

El sistema de aleaciones binario más importante es el hierro-carbono. Los aceros y

fundiciones son aleaciones hierro-carbono. La clasificación de las aleaciones férreas según el

contenido en carbono comprende tres grandes grupos: hierro cuando contiene menos del 0.008 %

en peso de C, acero cuando la aleación Fe-C tiene un contenido en C mayor del 0.008 y menor del

2.11 % en peso (aunque generalmente contienen menos del 1 %), y fundición cuando la aleación

Fe-C tiene un contenido en C superior al 2.1 % (aunque generalmente contienen entre el 3.5 y el 4

% de C).

4.1. Diagrama Fe-C. Fases en el sistema Fe-Fe3C. En la figura 4.1 se representa el

diagrama de fases del sistema binario Fe- Fe3C para contenidos altos de hierro. El hierro sufre

cambios estructurales con la temperatura antes de fundir. A temperatura ambiente la forma estable

es la ferrita o Fe-α (estructura CCI). A 912 °C la ferrita sufre una transformación polimórfica a

austenita o Fe-γ (CCC). La austenita se transforma a otra fase CCI a 1394 °C que se conoce como

ferrita-δ, la cual funde a1538 °C. Todos estos cambios se pueden observar en el eje vertical del

diagrama de fases para el hierro puro. El otro eje de la figura 4.1 sólo llega al 6.70 % en peso de C,

concentración que coincide con el 100 % molar del compuesto intermedio Fe3C conocido como

carburo de hierro o cementita. La parte entre el 6.70 % de C y el 100 % de C (grafito puro) no es

importante desde el punto de vista tecnológico y no se va a estudiar.

El carbono en un soluto intersticial en el hierro y forma disoluciones sólidas con la ferrita (α

y δ) y con la austenita (γ). La ferrita tiene una estructura CCI y en los intersticios se puede situar

muy poco carbono, el máximo es un 0.022 % a 727 °C. Aunque en proporción muy baja, el carbono

afecta mucho a las propiedades mecánicas de la ferrita. Esta fase es relativamente blanda,

ferromagnética por debajo de 768 °C, y de densidad 7.88 g/cc. La austenita (Fe-γ) de estructura

CCC tiene una solubilidad máxima de carbono del 2.11 % a 1148 °C. Solubilidad aproximadamente

100 veces superior a la de la ferrita. Las transformaciones de fase de la austenita son muy

importante en los tratamientos térmicos de los aceros como se verá más adelante. La ferrita-δ solo

se diferencia de la α en el tramo de temperatura donde existe. Al ser sólo estable a altas

temperaturas no tiene interés técnico.

La cementita desde el punto de vista mecánico es dura y frágil, y su presencia aumenta la

resistencia de muchos aceros. Desde un punto de vista estricto, la cementita es meta estable y si se

calienta entre 650 y 700 °C descompone para dar Fe-α y grafito en el periodo de años, que

permanece al enfriar. Por tanto, los diagramas no son realmente de equilibrio, pero al ser la

velocidad de descomposición de la cementita tan extremadamente lenta estos diagramas son los

útiles.

Ciencia de Materiales, 4º curso, 2004/2005

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En la figura 4.1 se puede observar regiones bifásicas y un eutéctico (CE = 4.30 % en peso de

C, y TE = 1148 °C). La reacción eutéctica es:

LE (4.30 % C) ⎯⎯⎯⎯⎯→

← Fe-γ (2.11 % C) + Fe3C (6.7 % C)

En la que un líquido de composición eutéctica solidifica para dar dos fases sólidas de

austenita y cementita. El posterior enfriamiento de estas fases produce transformaciones de fases

adicionales. En el diagrama de fases se puede observar otro punto invariante a la temperatura de

727 °C para una composición del 0.77 % de C. La reacción del eutectoide se puede representar

como:

Fe-γ (0.77 % C) ⎯⎯⎯⎯⎯→

← Fe-α (0.022 % C) + Fe3C (6.7 % C)

Figura 4.1. Diagrama de fases hierro-cementita

Esta transformación de fase es de una importancia vital en los tratamientos térmicos de los

aceros. Como se comentó en la introducción los aceros contienen C entre el 0.008 y el 2.11 % de C,

y al enfriarlas desde el campo γ se obtiene una microestructura que está íntimamente relacionada

con las propiedades mecánicas de los aceros.

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Microestructuras en aleacions Fe-C. La microestructura que se desarrolla depende tanto del

contenido en carbono como del tratamiento térmico. Si el enfriamiento es muy lento se dan

condiciones de equilibrio pero si los enfriamientos son muy rápidos se producen procesos que

cambian

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