Diseño de aleaciones de acero con microestructuras controladas precisamente es la base de la ingeniería de materiales modernos. La capacidad de adaptar propiedades mecánicas como fuerza, dureza, dureza y ductilidad depende de una comprensión profunda de cómo el acero se transforma durante el enfriamiento y el tratamiento térmico. En el corazón de esta maestría se encuentra el diagrama de hierro-carbono, un diagrama de fase que mapea las fases de equilibrio presentes a diferentes temperaturas y concentraciones de carbono

El Diagrama de la Fase Iron-Carbon: Una herramienta fundacional

El diagrama de fase de hierro-carbono (Fe-C) es una piedra angular de la metalurgia física. Muestra las fases estables que coexisten en aleaciones de hierro-carbono bajo condiciones de equilibrio como función de temperatura y contenido de carbono. Mientras que el procesamiento del mundo real a menudo se desvía del equilibrio, el diagrama proporciona una base para entender las transformaciones de fases y guía el diseño del tratamiento térmico.

Fases en el sistema

Cuatro fases primarias aparecen en el sistema de hierro-carbono:

  • Ferrite (α-iron): Una fase cúbica centrada en el cuerpo (BCC) con muy baja solubilidad de carbono (maximum ~0.02 wt% a 727°C). La ferrita es suave y dúctil, con fuerza moderada.
  • Austenite (γ-hierro): Una fase cúbica centrada en la cara (FCC) que puede disolver hasta 2,14 wt% de carbono a 1147°C. Austenite es no-magnético y duro, y es la fase padre para la mayoría de los tratamientos térmicos.
  • Cementita (Fe3C): Un compuesto intermetalizado con estructura de cristal ortomobábica y exactamente carbono 6.67 wt%. Es extremadamente duro y frágil, aportando fuerza y resistencia al desgaste cuando se distribuye como lamellas finas o partículas.
  • Fase de líquido: Aleación de hierro fundido y carbono, existente sobre la temperatura del líquido.

El grafito también puede formar en hierro fundido (carbono √2%), pero en aceros el carburo estable es cemento; el diagrama metaestable Fe-Fe3C se utiliza para fines de ingeniería porque el cemento forma más rápido que el grafito en transformaciones de estado sólido.

Composiciones críticas y temperaturas

Varios puntos invariantes en el diagrama son esenciales para entender la transformación del acero:

  • Punto Eutectoide: En 0,76 wt% de carbono y 727°C. Al enfriamiento lento, el austenito de esta composición se descompone en una mezcla de la fundición de ferrite y cementito llamado Pearlite. Esta es la reacción más importante para el tratamiento térmico de los aceros.
  • Punto etico: A 4.3 wt% de carbono y 1147°C. El líquido se solidifica con una mezcla de austenita y cementita (ledeburita). Este punto es relevante para hierros fundidos, no aceros típicos.
  • Punto práctico: A 0.16 wt% de carbono y 1495°C. A esta temperatura, líquido y delta-ferrite reaccionan a la forma austenita. La influencia peritectica influye en el comportamiento de solidificación y puede causar grietas en aceros fundidos.
  • Líneas de la misma: Los límites α/(α+γ) y γ/(γ+α) definen el límite de la solubilidad dependiente de la temperatura para el carbono en ferrito y austenito.

Comprender las regiones de fase

El diagrama se divide en regiones donde una o dos fases son estables. Para los aceros hipoeutectoideos (carbono) se observó0.76%), la región por debajo de la temperatura A1 (727°C) es una mezcla de ferrito y cemento (pearlite), con ferrito proeutectoide que se forma primero en la refrigeración lenta.

Evolución microestructural durante el enfriamiento

El camino que una aleación de acero toma del trabajo caliente o tratamiento térmico a través del enfriamiento determina su microestructura final. Al controlar la velocidad de enfriamiento, podemos dirigir la transformación lejos del equilibrio para producir diferentes fases y morfologías. El diagrama de hierro-carbono indica qué fases son posibles, pero los kinetics de la transformación —captura en tiempo-temperatura-transformación (TTT) y los diagramas de enfriamiento continuo (CCT).

Aceros hipoeutectoide (Ferrite + Pearlite)

Los aceros con menos de 0,76% de carbono, como 1018 (0.18% C) o 1045 (0.45% C), son hipoeutectoide. Durante la enfriamiento lento de la región austenita, los núcleos de ferrito proeutectoide en los límites de grano austenita y crece hasta que la temperatura alcanza 727°C. En ese punto, el volumen de austenita restante (a ahora en la composición eutectoide ferritálida) transforma en las perlas

Acero Eutectoide (Pearlite)

Un 0,76% de acero al carbono, como 1080, es totalmente eutacoides. Cuando se enfría lentamente de austenita, se transforma enteramente a la perlaita a 727 °C. La perla consiste en lamellas alternas de ferrite y cementita; el espaciamiento interlamellar depende de la velocidad de enfriamiento: el enfriamiento de la barandilla da espaciado más fino, lo cual aumenta la dureza y la fuerza (por la relación clásica).

Aceros hipereutectoide (Pearlite + Ceite)

Los aceros con contenido de carbono por encima del 0,76%, como 1095 (0,95% C), son hipereutectoide. Al enfriamiento lento de austenita, el cemento proeutectoide precipita en los límites de grano como placas o redes. A 727°C, el austenito restante se transforma en Pearlite. La cementita con granulometría es muy dura pero frágil; si forma una red continua, el acero puede romperse

Enfriamiento de no equilibrio: martensito y bainito

El diagrama de la placa de lavado de hierro es demasiado rápido para difuminar, austenita se transforma en martensita, una tetragonal centrada en el cuerpo (BCT) supersaturada solución sólida de carbono en hierro. Esta transformación sin difusión y tipo de jalea se produce en la Ms] (comienzo de la fase de la martibramiento muy limitado

Fundamentos de tratamiento térmico

El tratamiento térmico es la calefacción controlada y el enfriamiento del acero para alterar su microestructura y propiedades. El diagrama de hierro-carbono guía la selección de temperaturas para cada etapa. Cada tratamiento térmico comienza con austenitizing]—calentando el acero completamente en el campo de fase austenita (normalmente 30–50°C sobre la línea A3 o Acm, dependiendo del contenido de carbono) para disolver

Formación de Quenching y Martensite

El anclaje implica el enfriamiento rápido de la temperatura austenitizante en un medio como agua, aceite o solución polímero. El objetivo es evitar las regiones de transformación de perlas y bainitas y alcanzar martensita. La tasa de enfriamiento debe superar la tasa de enfriamiento crítica para ese acero. El contenido de carbono afecta fuertemente la dureza - más alto carbono disminuye la Ms y hace que el contenido martensito sea más difícil pero más propensa al es el diagrama de cod.

Tendencia para la Tosicidad

La martensita as-quented es demasiado frágil para la mayoría de las aplicaciones. Tempering recalienta el acero a una temperatura debajo de la línea A1 (normalmente 150–650°C) y sostiene que permite que el carbono precipitarse como carburos finos y aliviar las tensiones residuales. El diagrama de hierro-carbono indica el límite de temperatura superior (A1) para evitar la reaustentación.

Annealing and Normalizing

El acolchado implica el calentamiento del acero a la región austenita (o justo encima de A1 para el amasamiento completo) seguido de la enfriamiento lento (por ejemplo, enfriamiento de horno). Esto produce una estructura de perlas gruesas para la máxima suavidad y maquinabilidad. Normalización de los calores del acero a unos 50°C sobre A3 (o Acm) y luego las refrigeraciones de aire, resultando en un fino perla tinte de acero con mayor resistencia que los límites de la fase de la fase de hierro.

Austempering y Martempering

El tratamiento térmico de la temperatura de la TTT es un tratamiento térmico isotérmico donde el acero se apaga a una temperatura entre la Sra y la temperatura de inicio de bainito (Bs), sostenida hasta que la transformación a bainito es completa, y luego refrigerada por aire. La microestructura bainética resultante ofrece alta resistencia con menos distorsión que el apagado convencional. La temperatura de la fusión (marque) implica el enfriamiento de los datos justo por encima de la Ms, manteniendo para equilibrar la temperatura.

Diseño de microestructuras de aleación para aplicaciones específicas

Al combinar el conocimiento del diagrama de hierro-carbono con tratamiento térmico controlado, los ingenieros pueden diseñar aceros con microestructuras optimizadas para requisitos específicos de rendimiento.

Aceros de alta resistencia

Para los componentes estructurales que requieren una alta relación de fuerza a peso, los aceros con contenido de carbono alrededor de 0,3–0,5% se apagan y se templan para producir martensita templada. La dispersión fina de carburos en una matriz de ferrite proporciona resistencias de rendimiento por encima de 1000 MPa. Aleación de elementos como cromo, distorsión de molido y níquel desplazan las curvas TTT, aumentando la dureabilidad y permitiendo reducir el nivel de la temperatura de la distancia.

Aceros resistentes al desgaste

Los aceros y las placas de desgaste suelen tener contenido de carbono del 0,8% al 1,2% (hipereutectoide o casi-eutectoide). El tratamiento térmico incluye el enfriamiento a martensita completa seguido de la templado de baja temperatura para mantener alta dureza. La presencia de carburos proeutectoide en composiciones hipereutectoideas añade resistencia al desgaste.

Aceros Ductiles para la formación

Los componentes desgastados o estampados requieren un acero de bajo carbono (apartado0.15%) con alta ductilidad. El acolchado produce granos de ferrito gruesos con partículas de cemento espheroidizada (alimentación espheroidizada), que minimiza el endurecimiento del trabajo durante la formación. El diagrama de hierro-carbono ayuda a seleccionar la temperatura de aniquilación (juste arriba A1 para la esferoidización) para lograr la baja resistencia al acero deseado.

Limitaciones y extensiones del Diagrama Iron-Carbon

Mientras que el diagrama de hierro-carbono es una herramienta esencial de enseñanza y referencia, asume condiciones de equilibrio: muy lenta refrigeración que permite la difusión completa. En la práctica, la mayoría de los tratamientos de calor industrial se producen bajo condiciones no equilibrio, lo que conduce a fases y microestructuras que no se muestran en el diagrama básico. Además, la mayoría de los aceros de ingeniería contienen elementos de aleación que alteran los límites de fase y los kinetics de reacción.

Efectos de elementos adicionales de aleación

Elementos como manganeso, silicio, cromo, níquel, molibdeno y vanadio cambian la temperatura y composición eutatoide. Por ejemplo, el cromo aumenta la temperatura A1 y mueve la composición eutectoide a menor contenido de carbono. Manganese, en contraste, deprime la temperatura A1. Estos efectos se capturan en los diagramas de fase modificada o en el diagrama de acero inoxidable corregido.

Diagramas de fase no equilibrio

Para diseñar microestructuras controladas bajo condiciones de refrigeración reales, los metalurgistos dependen de diagramas de transformación de tiempo (TTT) y diagramas de transformación continua (CCT). Estos superponen los límites de fase del diagrama de hierro-carbono con curvas de transformación de kinetics para la región de la geometría de la bainita y la martensita. Por ejemplo, una tasa de enfriamiento rápida que falta el diagrama de la carcasa de la perla

Conclusión

El diagrama de fase de hierro-carbono es una referencia indispensable para cualquier metalurgist o ingeniero de materiales involucrados en el diseño de aleaciones de acero con microestructuras controladas. Proporciona el mapa de carreteras de equilibrio para fases que pueden formar un determinado contenido de carbono y temperatura, formando la base para la selección de procesos de tratamiento térmico.

[LT:6] [Fbridge] [4] [[FLT]] [[FLT]] [[FLT]]] [[FLT]]] ] [FLT] [FLT] [4]] [FLT] [FLT] [4]] [FLT] [4]] [FV] [FV]] [4]]