Introducción a las aleaciones de hierro-carbón

Aleaciones de hierro-carbono, comúnmente conocidas como aceros, forman la columna vertebral de la civilización industrial moderna. Desde rascacielos y puentes hasta componentes automotrices y herramientas de corte, estos materiales son indispensables debido a su excepcional equilibrio de fuerza, ductilidad y rentabilidad. La característica definitoria de estas aleaciones es la presencia de carbono, que normalmente van desde el 0,02% hasta el 2,14% por peso.

Comprender los cambios de fase dependientes de la temperatura en las aleaciones de hierro-carbono es crítico para ingenieros y metalurgistos. La capacidad de controlar estas transformaciones mediante el tratamiento térmico permite la producción de materiales con propiedades a medida para aplicaciones específicas. Por ejemplo, la misma composición de aleación puede ser hecha extremadamente dura y frágil para una herramienta de corte o suave y dúctil para un panel de automóviles de gran tamaño, únicamente mediante la manipulación de la historia térmica.

Contexto histórico e importancia

El uso deliberado del calor para alterar las propiedades metálicas data de miles de años, pero la comprensión científica de las transformaciones de fases de hierro-carbono surgió a finales del siglo XIX y principios del XX. Pioneers como Sir William Chandler Roberts-Austen, después de quien se llama la fase austenita, y Adolf Martens, que caracterizó la fase dura que lleva su nombre, puso la base para la metalurgia física moderna.

Clasificación del contenido de carbono

Basándose en el porcentaje de carbono, las aleaciones de hierro y carbono se clasifican ampliamente en tres categorías:

  • Aceros de carbono (hasta 0,3% C):] Suave, dútil y fácilmente formable. Se utiliza para vigas estructurales, paneles de carros y oleoductos.
  • Aceros de medium-carbono (0.3%–0.6% C): Mayor fuerza con ductilidad moderada. Se utiliza para engranajes, ejes y vías ferroviarias.
  • Aceros de alto carbono (0.6%–2.14% C): Alta dureza y resistencia al desgaste pero menor resistencia. Se utiliza para cortar herramientas, mueres y resortes.

Las aleaciones con carbono superior al 2,14% se clasifican como hierro fundido, que contienen una estructura eutectica y presentan diferentes comportamientos de solidificación. Este artículo se centra en la gama de acero, donde las transformaciones de fase de estado sólido son prácticamente relevantes.

Transformaciones de fase fundamental

A medida que cambia la temperatura, las aleaciones de hierro-carbono experimentan varias transformaciones de fases de estado sólido. Cada transformación altera la disposición de los átomos de hierro y la distribución del carbono, lo que conduce a microestructuras distintas con propiedades únicas. La clave para controlar estos cambios radica en comprender el diagrama de fase de equilibrio y la cinemática de las transformaciones de no equilibrio.

Fases en el Sistema Iron-Carbon

Las siguientes fases son los bloques de construcción de microestructuras de acero:

  • Ferrite (α-Fe): Esta es la fase cúbica centrada en el cuerpo (BCC) de hierro, estable a temperatura ambiente. Tiene una solubilidad de carbono muy baja (máximo alrededor del 0,02% a 723°C). La ferrita es suave, dútil y magnética a temperaturas inferiores a su punto de Curie (770°C).
  • Austenite (γ-Fe): Una fase cúbica centrada en la cara (FCC) que es estable a temperaturas elevadas (aprobar 912°C para hierro puro, pero el rango de estabilidad se altera por el carbono y otros elementos de aleación). Austenite puede disolver hasta un 2,14% de carbono a 1147°C, lo que lo convierte en la fase clave para la noductilidad agne.
  • Cementita (Fe3C): Un compuesto intermetalizado de hierro y carbono con una composición fija de 6.67% C. El cemento es extremadamente duro y frágil. Parece como lamellae en Pearlite o como una red continua en aceros hipereutectoideos.
  • Martensito: Una fase metaestable formada cuando la austenita se enfría rápidamente (que se produce) a temperatura ambiente. La transformación es indiferente (inducida por la jauría), lo que resulta en una estructura tetragonal centrada en el cuerpo (BCT) supersaturada con carbono. Martensita es muy dura y fuerte pero también frágil.
  • Pearlite: No es una fase distinta, sino una mezcla eutactoide capa de ferrite y cementita. Forma cuando el austenito se enfría lentamente a través de la temperatura eutaide (727°C). El espaciado interlamellar determina la fuerza y dureza de la perlaita.
  • Bainita: Otra microestructura no equilibrio que consiste en ferrito y cemento (o carburos) formados a tasas intermedias de refrigeración, con una morfología acicular o pluma característica.

El Diagrama de Fase Iron-Carbon

El diagrama de fase de hierro-carbono equilibrio es una piedra angular de metalurgia ferrosa. Se trama la temperatura contra el contenido de carbono y muestra las fases estables en cada condición bajo refrigeración lenta (condiciones de cerca del equilibrio).

  • Punto etico: A 4.3% C y 1147°C, donde el líquido se transforma directamente en una mezcla de austenita y cementita (ledeburita). Este punto es relevante para las planchas de fundición.
  • Punto Eutectoide: A 0.76% C y 727°C, donde el austenito se transforma en una mezcla de ferrite y cementito (pearlite) al enfriamiento. Este es el punto más crítico para el tratamiento térmico de acero.
  • Ferrite + Austenite region: En el contenido de carbono inferior al 0,76% (aceros hipoeutectoide), el enfriamiento del campo de fase austenita conduce a la ferrita proeutectoide antes de la transformación eutectoide.
  • Región de cemento + Austenita: En el contenido de carbono superior al 0,76% (aceros hiporeutectoide), precipitados cementitos proeutectoide antes de la reacción eutaide.
  • Límites de solución sólida: La máxima solubilidad del carbono en el ferrito (α) es muy baja, mientras que en el austenito (γ) alcanza el 2,14%.

El diagrama sirve como referencia, pero los tratamientos de calor industrial real a menudo implican tasas de enfriamiento no equilibrio, lo que conduce a fases metástasis como martensita y bainita. Para tales condiciones, se utilizan diagramas de transformación de temperatura-tiempo (TTT) y de refrigeración continua (CCT).

Temperaturas de transformación crítica

Varias temperaturas clave definen el comportamiento de transformación del acero:

  • A1 (temperatura crítica más baja): 727°C para aceros de carbono lisos. A esta temperatura, se produce la transformación eutapoides. A continuación, el austenito ya no es estable.
  • A3 (temperatura crítica superior para aceros hipoeutectoideos): La temperatura en la que se fríe completamente se transforma en austenita al calentamiento. Se eleva con la disminución del contenido de carbono.
  • Acm] (temperatura crítica superior para los aceros hipereutectoideos): La temperatura a la que el cemento se disuelve completamente en austenita.
  • Ms (comienzo de martensito) y Mf (termino de martensita) temperaturas:] Estos dependen de los contenidos de carbono y elementos de aleación. La Sra se baja a medida que aumenta el contenido de carbono; por lo general, la Sra. de un 0,2% C de acero es de alrededor de 450°C, mientras que para el 0,8% C es de aproximadamente 250°C. Mf es a menudo inferior a la temperatura ambiente para aceros de aceros de alta carbono.

Comprender estas temperaturas permite a los ingenieros diseñar ciclos de calefacción y refrigeración que producen microestructuras deseadas.

Mecanismos microscópicos de los cambios de fase

Las transformaciones de fase en aleaciones de hierro-carbono se producen a través de mecanismos controlados por la difusión o sin difusión. La tasa de enfriamiento determina qué mecanismo domina.

Transformaciones controladas por la difusión

Cuando el enfriamiento es lo suficientemente lento para permitir que los átomos de carbono difundan a distancias significativas, las transformaciones proceden a través de la nucleación y el crecimiento. Por ejemplo, cuando el austenito se enfría debajo de A1, la descomposición eutapoides forma perlaita: alternando lamellae de ferrite y cementita. La transformación comienza en los límites de grano austenito.

De manera similar, el ferrito proeutectoide o el cemento precipita a temperaturas superiores antes de la reacción eutectoide, dependiendo del contenido de carbono. Estas transformaciones son controladas por la difusión de carbono en austenita y en la interfaz de transformación.

Transformación martensiática

Si la austenita se enfría muy rápidamente (que se produce) a debajo de la Sra, los átomos de carbono no tienen tiempo para difusa. En lugar de eso, la austenita FCC experimenta una transformación de jalea (displacive) a un martensito BCT. Esta transformación es instantánea y atermal (la cantidad de martensita depende sólo de la temperatura alcanzada, no del contenido de la paridad).

La temperatura de la Sra es crítica para el tratamiento térmico. Si la tasa de refrigeración es insuficiente para evitar la formación de perlas o bainitas, la microestructura final será una mezcla, y la dureza total no se puede lograr. El concepto de dureza —la capacidad del acero para formar martensita en profundidad— depende de la composición y la tasa de enfriamiento.

Diagramas de transformación de tiempo (TTT)

Los diagramas TTT (también llamados diagramas de transformación isotérmica) trazan el progreso de la transformación a temperatura constante. Muestran el tiempo necesario para que la perla o la bainita comience y termine, así como la temperatura de la Sra. Estos diagramas son esenciales para procesos como el austemporización (transformación isotérmica a la bainita) y la martemporización (quenchamiento interrumpido).

Implicaciones industriales y tratamiento de calor

Controlar las transformaciones de fases mediante el tratamiento térmico es el método principal para la adaptación de las propiedades de acero. Los siguientes procesos son ampliamente utilizados en la industria.

Annealing and Normalizing

El refinador de perlas es un refinador de acero que se usa en la estructura de refrigeración , que se utiliza para el refinado de la temperatura superior a la A3 (para el hipoeutectoide) o superior a Acm (para el perla fina)

Quenching y Tempering

El enfriamiento rápido de austenita para formar martensita. El medio de refrigeración (agua, aceite, soluciones de polímeros o aire) determina la velocidad de enfriamiento. El enfriamiento del agua es severo y puede causar distorsión o grieta; el aceite es más suave. Después de apagar, el acero es extremadamente duro pero frágil.

Austempering y Martempering

Estos son procesos especializados para minimizar la distorsión y la grieta al alcanzar propiedades únicas. Austempering implica el enfriamiento a una temperatura justo por encima de la Sra., la retención es de lo contrario para transformar austenita a bainita, luego enfriamiento a temperatura ambiente.

Aleación de elementos y sus efectos

Mientras que el carbono es el principal motor de las transformaciones de fase, otros elementos de aleación se añaden intencionalmente para modificar los kinetics, rangos de estabilidad y propiedades finales. Una discusión completa de los efectos de aleación se puede encontrar en AZoM.

Aleación común

  • Manganese:] Aumenta la dureza al cambiar las curvas CCT a tiempos más largos, permitiendo la formación de martensitas a tasas de enfriamiento más lentas. También combina con el azufre para evitar la embrittlement.
  • Chromium: Mejora la dureza, promueve la formación de carburo y mejora la resistencia a la corrosión. Es un elemento clave en aceros de herramientas y aceros inoxidables.
  • Nickel:] Aumenta la resistencia y reduce la temperatura de transición dúctil-brittle. También estabiliza austenita, inferior A3 y Ms.
  • Molibdeno:] Aumenta fuertemente la dureza y promueve el endurecimiento secundario durante el templado. Se utiliza en aceros de baja aleación de alta resistencia (HSLA) y aceros de herramientas de trabajo caliente.
  • Vanadium: Formas muy duras de carburos que resisten el ensuciamiento a altas temperaturas. Refina el tamaño del grano y mejora la resistencia al desgaste.
  • Silicona: Solubiliza en ferrita y aumenta la fuerza sin reducir significativamente la ductilidad. Se utiliza en aceros de primavera y aceros transformadores.

Los elementos de aleación también afectan la composición y temperatura de la eutactoide. Por ejemplo, el cromo y el molibdeno elevan la temperatura eutectoide, mientras que el níquel y el manganeso lo bajan. Entender estos efectos es esencial para diseñar aceros para aplicaciones específicas, desde herramientas de corte de alta velocidad hasta vasos de presión criogénicos.

Conclusión

Los cambios de fase dependientes de la temperatura en las aleaciones de hierro-carbono son centrales para la producción de aceros de alto rendimiento utilizados en prácticamente todo sector industrial. Una comprensión completa del diagrama de fase de hierro-carbono, la naturaleza de ferrite, austenita, cementita, martensita, perla y bainita, y los kinetics de transformación bajo diversas condiciones de refrigeración permite a los ingenieros diseñar ciclos de tratamiento térmico que producen microestructuras específicas.

Desde procesos simples de apareamiento a complejos quench-and-temper, la capacidad de controlar las transformaciones de fase garantiza que los aceros cumplan con los requisitos exigentes de las aplicaciones modernas. La adición de elementos de aleación amplía aún más la gama de propiedades alcanzables, permitiendo el desarrollo de materiales que sean simultáneamente fuertes, resistentes, resistentes al desgaste y resistentes a la corrosión.