DIAGRAMA HIERRO _CARBONO

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DIAGRAMA HIERRO _CARBONO

  1. 1. DIAGRAMA HIERRO CARBONO ESPOCH FACULTAD MECÁNICA ESCUELA ING. INDUSTRIAL MATERIALES TRABAJO PREPARATORIO GUILLERMO VERDEZOTO GALO GUEVARA
  2. 2. El sistema de aleaciones binario más importante es el hierro-carbono. Diagrama de aleación hierro-carbono es un diagrama de equilibrio en el que se representa el comportamiento de la aleación de hierro y carbono en función del porcentaje de carbono contenido en la mezcla y de la temperatura, composición química y presión atmosférica. Industrialmente se convierte en una herramienta para el ingeniero industrial para el manejo y conocimiento delos materiales ferrosos como aceros y hierros fundidos. DIAGRAMA Fe - C
  3. 3. DIAGRAMA Fe - C En la industria encontraremos los siguientes tipos de materiales:  80% Materiales Ferrosos  10% Materiales no ferrosos  10% Resto de materiales
  4. 4. MATERIALES FERROSOS Llamaremos material ferroso a todo material que en su composición contenga una proporción de hierro. La producción mundial de metales ferrosos es más de veinte veces superior a la del resto de los metales juntos. Esto es debido por un lado a su abundancia y por otro a la gran cantidad y variedad de productos que se pueden obtener a partir del hierro. Se divide en:  Aceros  Hierros fundidos DIAGRAMA Fe - C
  5. 5. DIAGRAMA Fe - C MATERIALES NO FERROSOS Los no ferrosos son todos los metales y aleaciones que no tienen en su composición química Hierro. Se pueden clasificar según su densidad en: PESADOS cuya densidad es igual o mayor de 5kg/dm cúbico . Tales como: Estaño, cobre, cinc, plomo, níquel, wolframio y cobalto. LIGEROS cuya densidad está comprendida entre 2 y 5kg/dm cúbico. Tales como: Aluminio y titanio. ULTRALIGEROS cuya densidad es menor de 2kg/dm cúbico. Tales como: magnesio y berilio.
  6. 6. RESTO DE MATERIALES Cerámicos.- son sólidos, formados principalmente por un metal y un no metal, y la unión entre los átomos se da mediante iónico o covalente. Se forman calentando el compuesto químico y luego dejándolo enfriar. Polímeros.- es un compuesto orgánico, que puede ser de origen natural o sintético. Los plásticos son ejemplos de polímeros. Un material compuesto exhibe propiedades combinadas de los componentes que lo forman. Un ejemplo es el concreto armado, donde tenemos el cemento (un cerámico) y varas de acero (aleación metálica). DIAGRAMA Fe - C
  7. 7. DIAGRAMA Fe - C
  8. 8.  El límite del diagrama corresponde a una proporción de carbono del 6,67 % que es el de la cementita pura. Las aleaciones hiero-carbono con carbono en proporción superior al 6,67 %, lo contendrán en forma de grafito y, por tanto, están excluidas de las aleaciones ahora consideradas, que deben estar formadas única y exclusivamente con carbono combinado con el hierro en forma de carburo de hierro.  El punto C denominado eutéctico, correspondiente a una proporción de carbono del 4,3 %, y de carburo de hierro en total de 64,5 %. La aleación del 4,3 % de carbono es la de más bajo punto de fusión (1.130°) (1.148º). Además, la totalidad de la masa de la aleación funde o se solidifica a una sola temperatura en lugar de a dos temperaturas, una de principio y otra de fin del cambio de estado (fusión o solidificación, como ocurre con las aleaciones de contenido de carbono superior o inferior al 4,3 %). DIAGRAMA Fe - C
  9. 9. Y así como con contenidos inferiores de carbono entre el principio y el fin de la solidificación se va precipitando austenita, y para aleaciones de contenidos de carbono superiores al 4,3 % entre el principio y el fin de la solidificación se precipitan cristales de cementita, las aleaciones del 4,3 % de C se solidifican formando un solo constituyente, que también se denomina eutéctico y es la ledeburita, formado, como se sabe, por el 52 % de cementita y el 48 % de austenita de 1,76 % (2,11%) de carbono a 1.130 (1.148) grados.  El punto E marca la máxima solubilidad del carbono en hierro gamma; es decir, que es el punto de máximo contenido de carbono de la austenita, que, como se recordará, es solución sólida de carbono en hierro gamma. Este punto corresponde a un contenido de carbono de 1,76% (2,11%). DIAGRAMA Fe - C
  10. 10. Además, el punto de 1,76 % (2,11%) en el eje de las abscisas divide las aleaciones de hierro- carbono en dos clases de características muy distintas: los aceros de contenido de carbono inferior al, 1,76% (2,11%) hasta 0,03% (0,022%), y las fundiciones de contenido de carbono comprendido entre 1,76 (2,11) a 6,67 %.  Los aceros son las aleaciones de hierro- carbono que a partir de una temperatura determinada, marcadas en el diagrama por las líneas A3 (GS) (GP) Y Acm (SE) (PE), se transforman íntegramente en austenita, y la austenita, al enfriarla rápidamente, se convierte en martensita. DIAGRAMA Fe - C
  11. 11.  El punto S (P), denominado eutectoide, es análogo al punto C, que denominábamos eutéctico. La diferencia está en que en el punto eutéctico tiene lugar un cambio de estado de líquido a sólido o de sólido a líquido, y en el punto eutectoide se produce solamente una transformación de la constitución de la aleación, que es sólida lo mismo a temperaturas inferiores que a temperaturas superiores al punto eutectoide.  La analogía, salvo esta diferencia, es total. Así como el punto C (eutéctico) marcaba la composición de la aleación que permanecía líquida a más baja temperatura, también el punto S (P) (eutectoide) marca la composición de la austenita, que es estable a más baja temperatura. Este porcentaje es de 0,89% (0,77%) de C, o sea, 13,5% de carburo de hierro. DIAGRAMA Fe - C
  12. 12.  Además, la totalidad de la masa de la austenita se transforma íntegramente al pasar por el punto S (P) (eutectoide) en perlita, que es el constituyente eutectoide, igual que era la ledeburita el constituyente eutéctico que se formaba al solidificarse la aleación en el punto C (eutéctico). Para contenidos de carbono superiores o inferiores al del punto S (P) (0,89 % de C) (0,77% de C), la austenita va segregando un constituyente nuevo hasta que, al llegar a la temperatura de 723º (727º), la austenita alcanza la composición eutectoide y se transforma íntegramente en perlita. Para porcentajes de carbono superiores aI 0,89% (0,77%), la austenita, al enfriarse por debajo de la línea Acm (SE) (PE), segrega cementita hasta llegar a los 723º (727º). Y para porcentajes de carbono inferiores al 0,89% (0,77%) de C, la austenita, al bajar en su enfriamiento de temperaturas inferiores a las de la línea A3 (GS) (GP), segrega ferrita hasta llegar a los 723º (727º). DIAGRAMA Fe - C
  13. 13.  Punto J (Y), cuyo porcentaje de carbono de 0,18 % es el de la austenita, que permanece estable a la más alta temperatura de 1.492°. Este punto se denomina peritéctico, y puede considerarse como un punto eutéctico al revés.  El punto H (B), de 0,08 % de C, es el máximo porcentaje que puede contener en solución sólida el hierro delta.  Y, por fin, el punto P (L), de 0,025 % (0,022%) de C, que es el máximo porcentaje de carbono que puede disolver la ferrita. Se ha marcado también en el diagrama, en el eje de las abscisas, un punto que corresponde a 0,03 % (0,022%) de carbono, que es el mínimo que puede contener el hierro para que se considere aleación hierro-carbono. Por debajo de este porcentaje de carbono se considera como hierro técnicamente puro DIAGRAMA Fe - C
  14. 14. En el eje de las ordenadas hay los siguientes puntos críticos:  Ao = 210° (230º), en el que tiene lugar el cambio magnético de la cementita. Es decir, hasta 210° (230º) la cementita es magnética, y por encima de esta temperatura deja de ser magnética.  A1 = 723° (727º), que es el límite de la perlita.  A2 = 768°, que es la temperatura de cambio magnético de la ferrita. Por encima de esta temperatura, la ferrita deja de ser magnética.  A3 = (línea SG) (GP), que es el límite de la ferrita. Este punto crítico varía desde 723º (727º) a 910° (912º), según el % de carbono.  Acm = (línea SE) (PE), que es el límite de la cementita. Este punto crítico varía entre 723° (727º) y 1.130° (1.148º). DIAGRAMA Fe - C
  15. 15.  Línea EF = 1.130° (1.148º), que es el límite de la ledeburita.  La línea AHJECF (OBYECF) es la de temperaturas de iniciación de la fusión al calentar o de terminación de la solidificación al enfriar. Por debajo de esta línea todo el metal está sólido.  La línea ABCD (AZCD) es la de temperaturas de fin de la fusión al calentar o de iniciación de la solidificación al enfriar. Por encima de ella todo el metal está en estado líquido. Entre esta línea y la anterior existe una mezcla de líquido y sólido.  Línea A4 = (línea HB) (BZ), que es el límite superior de la austenita DIAGRAMA Fe - C
  16. 16. CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES DE ACUERDO AL DIAGRAMA Fe-C 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. Fundición cuando la aleación Fe-C tiene un contenido en C superior al 2.1 %. DIAGRAMA Fe - C
  17. 17. HIERROS Otro aspecto importante es el que se refiere a la máxima solubilidad de carbono en la red de hierro (sólido) que se produce a 1148º C y es de 2.11% C. HIERRO GAMA es el hierro entre la temperatura 1394º y 912º C y corresponde a la forma cristalina de cubo de caras centradas. El hierro en esa forma cristalina tiene los huecos más grandes en la red, pudiendo así acomodar los átomos de carbono con distorsión no tan pronunciada como es el caso de la forma cristalina cubo de cuerpo centrado llamada HIERRO ALFA razón por la cual el Feγ disuelve mayor cantidad de carbono que el Feα. Esta disolución se refiere a aceptar el carbono en su red y formar una fase totalmente homogénea, tal como la disolución de la sal en el agua. DIAGRAMA Fe - C
  18. 18. DIAGRAMA Fe - C
  19. 19. DIAGRAMA Fe - C
  20. 20. ACEROS DIAGRAMA Fe - C Aceros hipoeutectoides.- son aquellos que poseen menos del 0.77 % de C. La microestructura presente en estos aceros consiste de perlita y ferrita. En función de las fases presentes los aceros pueden clasificarse en:
  21. 21. DIAGRAMA Fe - C ACEROS Aceros eutectoides.- son aquellos que poseen exactamente del 0.77 % de C. La microestructura esta formada totalmente de perlita.
  22. 22. DIAGRAMA Fe - C ACEROS Aceros eutectoides.- son aquellos que poseen mas del 0.77 % de C. La microestructura consiste en cementita y perlita.
  23. 23. DIAGRAMA Fe - C Los aceros al carbono también pueden clasificarse de la siguiente manera: 1. Aceros de bajo carbono.- su porcentaje de carbono es menor a 0.2%. Su microestructura está formada principalmente por ferrita. Son metales muy suaves, dúctiles y de baja resistencia. 2. Aceros de medio carbono.- su porcentaje de carbono oscila entre 0.2% y 0.5%. Su microestructura esta formada por la mezcla de ferrita y perlita. Constituyen la mayoría de aceros al carbono disponibles comercialmente y sus propiedades mecánicas dependen de la cantidad de ferrita y perlita que posean. 3. Aceros de alto carbono.- su porcentaje de carbono es mayor al 0.5%. Tienen dureza y resistencia elevadas. Su du ductilbildad y tenacidad son bajas.
  24. 24. FUNDICIONES  La fundición eutectica, con contenido de 4.3% de carbono y una estructura compuesta de ledeburita sin fases sobrantes.  Fundiciones blancas hipoeutecticas, tiene un contenido de carbono del 2 al 4.3%. Están compuestas de perlita y cementita.  Fundiciones blancas hipereutecticas, tiene un contenido de carbono de 4.3 a 6.67%. Están compuestas de perlita y cementita. Los bloques de fundición blanca poseen una gran dureza y fragilidad; por esta razón las fundiciones blancas tiene poca aplicación directa. Se emplean ampliamente las fundiciones blancas hipoeutecticas con contenido de 2.5 a 3.2% de carbono para obtener una fundición forjable. DIAGRAMA Fe - C
  25. 25. DIAGRAMA Fe - C
  26. 26. DIAGRAMA Fe - C
  27. 27. La fundición gris tiene un contenido en carbono entre 2.5 y 4.0 % y de silicio entre 1 y 3 %. El grafito suele aparecer como escamas dentro de una matriz de ferrita o perlita, la microestructura se observa en la figura 4.10. El nombre se debe al color de una superficie fracturada. Desde un punto de vista mecánico las fundiciones grises son comparativamente frágiles y poco resistentes a la tracción. La resistencia y la ductilidad a los esfuerzos de compresión son muy superiores. Esta fundiciones amortiguan la energía vibracional de forma mucho más efectiva que los aceros. Así los equipos que vibran mucho se suelen construir de esta aleación. A la temperatura de colada tienen mucha fluidez por lo que permite moldear piezas de forma muy complicadas. Además, la fundición gris es uno de los materiales metálicos más baratos. Se utiliza en bloque de motores, tambores de freno, cilindros y pistones de motores. DIAGRAMA Fe - C
  28. 28. La fundición dúctil o esferoidal se consigue añadiendo pequeñas cantidades de magnesio y cerio a la fundición gris en estado líquido. En este caso, el grafito no se segrega como escamas sino que forma esferoides (figura 4.11) lo que confiere a la fundición propiedades mecánicas diferentes. No es frágil y tiene propiedades mecánicas similares a las de los aceros. Presenta una mayor resistencia a la tracción que la fundición gris. Se suele utilizar para la fabricación de válvulas y engranajes de alta resistencia, cuerpos de bomba, cigüeñales y pistones. DIAGRAMA Fe - C
  29. 29. La fundición blanca contienen poco carbono y silicio (< 1%) y se obtienen por enfriamiento rápido. La mayor parte del carbono aparece como cementita en lugar de grafito, y la superficie fracturada tiene una tonalidad blanca. La microestructura se representa en la figura 4.12. La fundición blanca es extremadamente dura frágil por lo que es inmecanizable. Su aplicación se limita a componentes de gran dureza y resistencia al desgaste y sin ductilidad como los cilindros de los trenes de laminación. Generalmente la fundición blanca se obtiene como producto de partida para fabricar la fundición maleable. DIAGRAMA Fe - C
  30. 30. La fundición maleable se obtiene a partir de la fundición blanca por calentamiento prolongado en atmósfera inerte (para prevenir la oxidación) a temperaturas entre 800 y 900 °C. En estas condiciones la cementita descompone para dar grafito en forma de racimos o rosetas dentro de la matriz ferrifica o perlítica. La microestructura se representa en la figura 4.13 y es similar a la de la fundición esferoidal. Se suele emplear en tubos de dirección y engranajes de transmisión, muelles tubulares y partes de válvulas. DIAGRAMA Fe - C
  31. 31. FERRITA La ferrita o hierro alfa puede ser considerado como puro hierro (fuerza = 280N/mm2). La ferrita es un material cerámico ferromagnético, compuestos por hierro, boro y bario, estroncio o molibdeno. Es junto con la austenita y cementita uno de los constituyentes simples del sistema metaestable Fe-C donde el carbono forma el compuesto intermetálico Fe3C. CEMENTITA La cementita o carburo de hierro Fe3C con un contenido en carbono C del 6,67 %, se produce por efecto del exceso de carbono sobre el límite de solubilidad. Es un compuesto intermetálico cuyo enlace predominante es no metálico, parece lógico que sea frágil por lo que, no es posible utilizarla para operaciones de laminado o forja debido a su dificultad para ajustarse a esfuerzos. MICROCONSTITUYENTES DIAGRAMA Fe - C
  32. 32. LA AUSTENITA Es el constituyente más denso de los aceros y está formado por una solución sólida por inserción de carbono en hierro gamma . La cantidad de carbono disuelto, varía de 0,8 % al 1,67 % de carbono C, que es la máxima solubilidad a la temperatura de 1125 °C. No es estable a la temperatura ambiente pero existen algunos aceros al cromo-níquel denominados austeníticos cuya estructura es austenita a temperatura ambiente. PERLITA La perlita es un constituyente compuesto aproximadamente por el 86,5 % de ferrita y el 13,5 % de cementita. Su microestructura está formada por capas o láminas alternas de las dos fases (ferrita y cementita) durante el enfriamiento lento de un acero a temperatura eutectoide. Se le da este nombre porque tiene la apariencia de una perla al observarse microscópicamente a pocos aumentos. Como la fase mayoritaria es la ferrita, las propiedades estarán más próximas a las de la ferrita: dureza 200 Brinell, resistencia: 80 kg/mm2, alargamiento: 15 % y resiliencia: 10kg/mm2 DIAGRAMA Fe - C
  33. 33. LA MARTENSITA La martensita es una solución sólida sobresaturada de carbono en hierro alfa . Después de la cementita, es el constituyente más duro de los aceros templados. Se obtiene por enfriamiento muy rápido de los aceros, una vez elevada su temperatura lo suficiente para conseguir su constitución austenítica. Sus propiedades físicas varían con su contenido en carbono hasta un máximo de 0,7 % C, aumentando su dureza, resistencia mecánica y fragilidad con el contenido de carbono. BAINITA La bainita es una mezcla de fases de ferrita y cementita y en su formación intervienen procesos de difusión. Se forma la bainita en la transformación isoterma de la austenita, en un rango de temperaturas de 250 ºC a 550 ºC. El proceso consiste en enfriar rápidamente la austenita hasta una temperatura constante, manteniéndose dicha temperatura hasta la transformación total de la austenita en bainita. DIAGRAMA Fe - C
  34. 34. LA TROOSTITA La troostita antiguamente se la denominaba osmondita. Constituyente que aparece en algunos aceros templados, pero con un enfriamiento a menor velocidad que la que produce la martensita, obteniéndose una parcial transformación de la austenita en productos intermedios. Sus propiedades indican que es una mezcla de cementita y ferrita, que únicamente se distingue de la perlita, por su forma de división extremadamente fina. Se ataca rápidamente y su aspecto es muy oscuro. SORBITA La sorbita es también un agregado fino de cementita y ferrita. Se puede producir; por transformación isotérmica de la austenita a temperaturas comprendidas entre 600 ºC y 650 ºC. Al enfriar rápidamente la austenita, que deber estar a temperaturas por encima de la crítica superior, hasta una temperatura comprendida entre los 600 ºC y 650 ºC, y manteniéndola a esta temperatura constante hasta su total transformación en sorbita. DIAGRAMA Fe - C
  35. 35. LA LEDEBURITA La ledeburita es una mezcla eutéctica de austenita y cementita, palabra que en griego significa fluidez perfecta. La reacción eutéctica se presenta a temperatura constante al enfriar muy lentamente un líquido, obteniéndose entonces dos sólidos puros distintos, estos sólidos solidifican alternativamente, resultando una mezcla muy fina generalmente visible solo al microscopio. Es decir, la ledeburita se forma al enfriar la fundición líquida de 4,3% de carbono C, y se lleva a cabo a 1.130º, siendo estable hasta 723 ºC (A3 2 1 o punto crítico inferior), descomponiéndose a partir de esta temperatura en ferrita y cementita. STEADITA La steadita es un constituyente de naturaleza eutéctica, que aparece en las fundiciones de más de 0,15 % de fósforo. Como la steadita se compone de un 10 % de fósforo aproximadamente, y casi todo el fósforo de la fundición se concentra en este constituyente, se puede calcular el porcentaje de steadita que contiene la fundición por su contenido en fósforo (una fundición que contenga 0,15 % de fósforo, tendrá el 15 % de steadita). DIAGRAMA Fe - C
  36. 36. GRAFITO El grafito, o también conocido por plumbagina, carbono mineral o negro de plomo, es la forma más estable del carbono. Se presenta en forma de masas negras o grises, con brillo metálico. El grafito natural se encuentra en forma de masas, amorfo o de escamas. Su nombre procede de la palabra griega escritura y su por mula química es C. Es carbono puro, aunque puede venir acompañado deporóxido de hierro. DIAGRAMA Fe - C IMPUREZAS Una impureza es una sustancia dentro de un limitado volumen de líquido, gas o sólido, que difieren de la composición química de los materiales o compuestos. Las impurezas son, ya sea natural o añadidos, durante la síntesis de una sustancia química o producto comercial. Durante la producción, las impurezas pueden ser a propósito, accidentalmente, inevitable mente, cierto o añadido en el fondo.
  37. 37. REACCIONES MAS IMPORTANTES EN EL DIAGRAMA Fe-C En el diagrama aparecen tres líneas horizontales, las cuales indican reacciones isotérmicas. La parte del diagrama situada en el ángulo superior izquierdo de la figura se denomina región delta. En ella se reconocerá la horizontal correspondiente a la temperatura de 1493ºC como la típica línea de una reacción peritéctica. La ecuación de esta reacción puede escribirse en la forma. DIAGRAMA Fe - C
  38. 38. La máxima solubilidad del carbono en el hierro delta (de red cúbica centrado en el cuerpo) es 0,10 % de C, mientras que el Fe gamma (de red cúbica centrado en las caras) disuelve al carbono en una proporción mucho mayor. En cuanto al valor industrial de esta región es muy pequeño ya que no se efectúa ningún tratamiento térmico en este intervalo de temperaturas. La siguiente línea horizontal corresponde a una temperatura de 1129ºC, esta temperatura es la de solidificación del eutéctico y la reacción que en ella se desarrolla es: DIAGRAMA Fe - C
  39. 39. La mezcla eutéctica, por lo general, no se ve al microscopio, ya que a la temperatura ambiente la fase gamma no es estable y experimenta otra transformación durante el enfriamiento. La última línea horizontal, se presenta a los 722ºC, esta línea corresponde a la temperatura de formación del eutectoide, y al alcanzarse en un enfriamiento lento la fase gamma debe desaparecer. La ecuación de la reacción eutectoide que se desarrolla puede expresarse por: DIAGRAMA Fe - C

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