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CIDEAD. 2º BACHILLERATO .TECNOLOGÍA INDUSTRIAL II. Tema 5 .- Los tratamientos térmicos de los aceros.

Desarrollo del tema:1. Estados alotrópicos del hierro.

2. Aleaciones hierro – carbono. Su composición

3. Constitución de las aleaciones hierro – carbono.

4. Estructura de las aleaciones Fe – C

5. Diagrama de equilibrio con transformación en estado sólido.

6. Análisis del diagrama hierro – carbono.

7. Tratamientos de los metales para mejorar sus propiedades

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1. Estados alotrópicos del hierro.

Cuando un material formado por fierro puro, se calienta hasta su temperatura de fusión,sufre una serie de transformaciones cristalográficas, debido a su alotropía. Este proceso se repite ensentido inverso, es decir, al enfriarse el hierro desde su punto de fusión. Las variedades másimportantes son:

1. La variedad α , cristaliza hasta la temperatura de 768º C en BCC. No disuelveprácticamente nada al carbono. Posee carácter magnético.2. La variedad β , existe entre los 768º C y los 910º C . Cristaliza en BCC; posee unadistancia algo mayor entre sus átomos que en el caso anterior, debida a la dilatación. Notiene propiedades magnéticas.3. La variedad γ , cristaliza desde la temperatura de 910º C hasta 1400º C en FCC. Ladistancia interatómica aumenta hasta 3.68 A. Disuelva fácilmente al carbono . Esdiamagnético.4. La variedad δ . Se inicia su formación a los 1400º C; se produce una reducción de ladistancia interatómica porque cristaliza en BCC. Es igual al hierro α con propiedadesmagnéticas. Posee poca aplicación siderúrgica.

En el siguiente gráfico se observa la transformación de las formas alotrópicas del hierro porcalentamiento y por enfriamiento:

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2. Aleaciones hierro – carbono. Su composición

El hierro puro posee pocas aplicaciones tecnológicas, pero aleado con el carbono y otroselementos, es el metal más empleado. Las aleaciones hierro – carbono, se clasifican teniendo encuenta el contenido en carbono.

A temperatura ambiente, casi todo el carbono se encuentra en la aleación, está en forma decarburo de hierro y una pequeña cantidad se encuentra disuelto en la ferrita. A medida que se elevala temperatura, el carburo de hierro se disocia y se forma carbono disuelto en en el hierro γ(austenita).

Desde el punto de vista industrial, se considera hierro dulce, a la aleación Fe-C que nosupere éste el 0.03 % en C.

Se denomina acero (Steel) a la aleación Fe - C con un contenido en carbono que seencuentra entre 0,03 % y 1,76 % en carbono ( puede llegar hasta el 2 %).

Se denomina fundición a las aleaciones Fe – C desde el 2 % en carbono hasta el 4 % . Lasfundiciones no se pueden forjar.

Aleaciónes con un contenido superior al 5 % ( hasta el 6,67 %) no se utilizan en la industriaal ser sumamente frágiles al estar formadas prácticamente de cementita Fe3 C.

3. Constitución de las aleaciones hierro – carbono.

Las aleaciones se encuentran formadas por los constituyentes, cuya naturaleza varía segúnsu composición y temperatura. Los constituyentes para el acero son diferentes para la fundición. Enel caso de los aceros sus constituyentes son:

1. La Ferrita .- Es una solución de C en Feα . Su solubilidad es pequeña a temperaturaambiente. La ferrita se considera hierro alfa puro. Es el más blando y dúctil de los aceros.Cristaliza en BCC ; su dureza es de 90 HB y resistencia a la rotura de 28 Kg/mm2.. Poseepropiedades magnéticas y puede sufrir alargamientos del 30 al 40 %.2. La Cementita .- (Fe3 C) Es el constituyente más duro y frágil de los aceros pudiendoalcanzar una dureza de 800 HB. Hasta los 210º C posee propiedades magnéticas,perdiéndolas a partir de dicha temperatura. Cristaliza en el sistema ortorrómbico .3. La Perlita .- Constituye una mezcla de 86.5 % de ferrita y 13.5 % de cementita . Sudureza es de 200 HB , la resistencia a la rotura es de 80 Kg/mm2 y puede ser alargado hastael 15 %. Cuando el enfriamiento es lento, su estructura es laminar. En el caso de unenfriamiento rápido, su estructura es más difuminada (perlita sorbítica). En el caso decalentar la perlita laminar a temperaturas por encima de los 723º C, la cementita poseeforma de glóbulos insertado en la ferrita (perlita globular).4. La Austenita.- Es una solución sólida de inserción del carbono en Fe γ . La cantidad delcarbono disuelto puede llegar hasta el 1.76 % . La asutenita es el componente más denso delos aceros y está formado por redes FCC en donde los átomos de carbono se intercalan enlas aristas y en el centro. Su dureza es de 300 HB y su resistencia a la rotura es de 100Kg/mm2. El alargamiento puede llegar a ser del 30 % . No posee propiedades magnéticas.

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5. La martensita.- Es después de la cementita, el constituyente más duro. Es una soluciónsobresaturada de C en Feα . Para obtenerla se recurre al enfriamiento rápido de la austenita,después de haber sido calentada par obtener esta estructura . Se presenta en forma de agujasy cristaliza en el sistema tetragonal. El contenido en carbono puede variar hasta el 0.89 %,aumentando su dureza, resistencia mecánica y fragilidad con la proporción en C . Su durezaes de 50 a 68 HRC, su resistencia mecánica a la rotura es de 175-250 Kg/mm2 y puedealargarse de 2.5 a 0.5 % . Tiene propiedades magnéticas.6. La troostita.- Es un constituyente intermedio entre la martensita y la sorbita . Se producepor la transformación isoterma de la austenita entre las temperaturas de 500 a 600ºC . Seenfría rápidamente la austenita hasta esa temperatura y después se la mantiene hasta suconversión total. Se presenta en forma de nódulos radiales de láminas de cementita sobreFerrita. Su dureza es de 450 HB y su resistencia es de 250 Kg/mm2.7. La sorbita .- Se produce por transformación isoterma de la austenita a temperaturas entrelos 600 y 650º C . Se presenta en forma de láminas similares a la perlita y más finas que latroostita . Su dureza es de 350 HB y ña resistencia mecánica a la rotura es de 100 Kg/mm2

8. La bainita .- También se produce por una transformación isotérmica de la austenita, en elintervalo de temperaturas que va desde 250 hasta 550º C Se produce por un templedefectuoso al que llamamos isotérmico o bainítico. Su fin no es transformar la austenita ebmartensita (temple clásico), sino que es la transformación total de la austenita en bainita.

Los constituyentes de las fundiciones son:

1. La ledeburita.- Se encuentra en las aleaciones de Fe – C cuando el porcentaje de carburode hierro es superior al 25 %, con un contenido superior al 1.76 % . Es un eutéctico, unamezcla de componentes, que se transforma desde el estado líquido al sólido sin sufrirdescomposición.2. La steadita .- Presenta naturaleza eutéctica y está presente en aleaciones que contienen0.15 o más de fósforo. Es muy dura y frágil y funde a 960º C.3. El grafito .- Es una de las variedades alotrópicas del carbono. Es blando, viscoso y grisoscuro. Se presentan en láminas en las fundiciones grises, en forma de nódulos, en lasfundiciones maleables y esferoidal en las fundiciones especiales.

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Los constituyentes de los aceros se pueden resumir en la siguiente tabla:

4. Estructura de las aleaciones Fe – C

Se puede distinguir tres tipos de estructuras:

a. Estructura cristalina.- No es uniforme, varía según los constituyentes de la aleación ycambian con la composición y la temperatura.b. Estructura micrográfica.- El elemento fundamental de esta estructura es el grano, que enlos aceros tienen gran importancia, por lo que se debe tener en cuenta su ciética deformación desde la nucleación hasta el crecimiento, por los tratamientos térmicos. Cuantomayor es el tamaño del grano, las propiedades de los aceros serán peores, aunque poseemejor calidad para el trabajo con las máquinas.c. Estructura macrográfica.- Depende de las impurezas que contenga del acero y del procesode forja a la que se puede someter.

5. Diagrama de equilibrio con transformación en estado sólido.

Dentro del diagrama de equilibrio temperatura-composición a presión constante, se va aestudiar el correspondiente a las transformaciones entre los constituyentes.

En los siguientes diagramas se representan el que corresponde hasta un porcentaje de 1.76 %y el correspondiente hasta el 6.67 %:

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El punto eutectoide representa una transformación en estado sólido cuando no existesolubilidad total entre los componentes y uno de ellos es alotrópico. Su constituyente es la perlita,formada por cristales mixtos de los dos componentes, hierro y carburo de hierro, como en aquellosque eran cristales mixtos A y B.

En las aleaciones eutectoides, correspondientes a un metal alotrópico, el otro metal actúa obien aumentando el campo de temperaturas de la fase primaria y disminuyendo el de la fasetransformada o bien en sentido inverso. En el caso del hierro, el metal que aumenta la fase primariase denomina gammágeno y el que la disminuye es el alfágeno..

En el gráfico de la izquierda se observa lo siguiente:

a. Aleación III ( 0.89 % de C) . En el punto a, la aleación se encuentra en estado líquido. Enb comienza a formarse cristales de austenita . En el punto c , coexisten la fase líquida y lasólida (austenita) y en d se solidifica el último resto del líquido. Entre d y el puntoeutectoide (A13), los cristales son de austenita , solución sólida de cementita en hierro γ. EnA13 el hierro γ (FCC) se transforma en hierro α (BCC) , no manteniendo disuelta lacementita. Los cristales de austenita se transforman en Fe α (ferrita) y cementita (carburo dehierro) formando la perlita.b. Aleación II ( < 0.89 % en C) hipoeutectoide. Ocurre exactamente igual hasta A3,transformándose en ese momento el Fe γ en Fe α o ferrita. En el punto n se hantransformado una serie de cristales de Fe γ en Fe α . Los cálculos numéricos se harán :

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Los cristales de ferrita son hierro puro.Los cristales de austenita forma parte de una displución, que posee una composición de

aproximadamente 0.55 % en C.Por la regla de las composiciones:

wα = nnΥ

nαn Υ100 =

12.7

.100 = 37 % en ferrita

wδγ = 1.72.7

100 = 63 % en austenita.

Al alcanzar A1 se tendrán cristales de hierro α y cristales de austenita ( 0.85 % de C)

wα = 1.553.25

100 = 47.7 % de ferrita

wγ = 1.73.25

100 = 52.3 % de austenita.

c. Aleación IV ( C > 0.89 %) hipereutéctoide. Ocurre lo mismo hasta llegar al punto ACM,donde se forman los cristales de cementita, empobreciéndose la austenita en C hasta llegar alpunto A1 alcanzando la concentración del punto eutectoide (0.89 % )entre ACM y A1 se puededeterminar por la regla de la palanca, la concentración de austenita y cementita segregada.

Wfe-C = 1

2.5.100 = 40 % de cementita.

W γ = 712

.100 = 60 % de austenita.

Por debajo de A1 se produce una transformación total en perlita y la cementitapermanece.

Si comparamos este diagrama con el Fe – C, este último se parte de una aleación sólida yexiste una transformación en estado sólido.

En los siguientes esquemas se pueden observar

Esquema 1 .- Enfriamiento de un acero al contenido en carbono inferior al 0.0218 %

Esquema 2.- Enfriamiento de un acero hipoeutectoide.

Esquema 3.- Enfriamiento de un acero hipereutectoide.

Esquema 4.- Enfriamiento de un acero eutectoide.

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Esquema . 1 Esquema . 2

Esquema . 3 Esquema . 4

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6. Análisis del diagrama hierro – carbono.

En el diagrama siguiente, que representa el porcentaje Fe – C en función de la temperatura apresión constante, se puede decir:

a. La línea ABC es la línea de líquidus, a partir de la cual comienzan a solidificar lasaleaciones del sistema. La línea AECF es la línea de sólidus indica las temperaturas pertenecientesal final de la solidificación.

b. En el diagrama se pueden destacar:El punto A coincide con la temperatura de solidificación del hierro en estado puro.El punto C representan la aleación eutéctica con la proporción de carbono del 4.3 %,compuesto por austenita y cementita formando la ledeburita.El punto E es la máxima solubilidad del carbono en hierro α que corresponde a unaproporción de carbono del 1.76 %.El punto D está en el límite del diagrama 6.67 % de carbono que corresponde a la cementitapura.

En el eutectoide la austenita se transforma en perlita, teniendo un 0.89 % en C.

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Para comprender este esquema, estudiaremos la solidificación de cinco concentracionesdiferentes : Aleación 0.5 % de C . Por encima del punto 1 solamente existe fase líquida . Comienza laformación de austenita hasta que en el punto 2 solidifica totalmente . En el punto 3 el hierroγ se transforma progresivamente en ferrita o hierro α . Mientras dura la transformación, laaustenita se enriquece en carbono hasta que se convierte en perlita en el punto 4 con unariqueza del 0.89 %.Aleación 0.89 % en C . Comportamiento idéntico al anterior con la siguiente diferencia: noexiste el punto 3, puesto que toda la austenita se transforma bruscamente en perlita. Es elpunto eutectoide.Aleación 1.2 % en C . En el punto 5 se separan cristales de cementita , empobreciéndose encarbono la austenita, progresivamente, hasta que en el punto 6, de temperatura 723º C elporcentaje es de 0.89 % y se transforma bruscamente en perlita.Aleación 3.2 % en C . En el punto 7 comienza la solidificación y se forma austenita .Cuando el líquido restante llega a la linea eutéctica todo él se transforma en ledeburita, en lapunto 8. Con la temperatura descendiendo, la austenita va segregando cementitapreeutéctica, hasta que en el punto 9 se convierte en perlita . Dado que la ledeburita es unamezcla de austenita (48%) y cementita(52%) al final también se transforma en perlita.Aleación 4.3 % en C . El comportamiento es idéntico al anterior, aunque el punto C presentaun salto brusco de solidificación en ledeburita (es la aleación eutéctica)Aleación 5.4 % en C . En el punto 10 comienzan a formarse cristales de cementita, mientrasque la fase líquida va perdiendo carbono hasta la temperatura de 1130º C en la que solidificala ledeburita con un porcentaje en carbono del 4.3 %..

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Problema 1.- En el diagrama siguiente, correspondiente al Fe – C, si la composición de laperlita es del 0.77 % en C, calcular las cantidades de ferrita y cementita existentes en 550 Kg. Deeutectoide.

Resolución.-

Utilizando la ley de la palanca: brazo X = 0.77 – 0.0218 = 0.7482 brazo Y = 6.67 – 0.77 = 5.9

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% en cementita será = X

Y + X100 =

0.74820.7482+5.9

. 100 = 11.254 %

% de ferrita será = 100 – 11.254 = 88.746 % . Si consideramos los 550 Kg de eutectoide, lacantidad de los componentes será :

M (cementita) = 11.254 . 550 / 100 = 61.9 Kg.

M (ferrita ) = 88.746 . 550/100 = 488.1 Kg.

Problema 2.- Según el diagrama adjunto de fases Cu-Ni, determinar:a. La temperatura de inicio y final de la solidificación para las aleaciones de proporción

en Cu al 20% , 50 % y 20 % de Ni.b. La temperatura mínima en que se encontrará la aleación en estado líquido en

cualquier composición.C. Determinar el porcentaje de una aleación de Cu para que esté totalmente líquida a

1300º C y en fase sólida.d. Calcular el número de fases y la composición de cada una para la aleación al 50 % de

los componentes a 1300º C.

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Resolución.-

Apartado a.- Al 20 % de Cu Inicio de solidificación : 1408º C y final 1378º C. Al 50 % de Cu Inicio de solidificación : 1311º C y final 1272º C Al 20 % de Ni Inicio de solidificación : 1200º C y final 1160º C

Apartado b .- A la temperatura de fusión del Ni : 1455º C Apartado c.- Totalmente líquida a la temperatura de 1300º C : fase sólida 58.5 % de Ni y

fase líquida 54.4 % de Ni.Apartado d.- Tenemos dos fases : sólida y líquida En fase líquida 45.5 % Ni y 54,5% en Cu

En fase sólida 58.5 % en Ni y 41.5 % en Cu

En la isoterma de 1300ºC al aplicar la regla de la palanca en el Ni :L S

45.5 50 58.5

wL = 58.5−50

58.5−45.5.100 = 65.4 % en Ni

wS = 100 – 65.4 = 34.6 % en Ni

7. Tratamientos de los metales para mejorar sus propiedades

Los tratamientos pueden ser:

a. Térmicos.- Los metales se les somete a procesos térmicos sin variar sus propiedadesquímicas, aunque si su estructura interna. Entre estos tratamientos se encuntra el temple. Elrevenido, el normalizado y el recocido.

Recibe el nombre de temple al tratamiento térmico característico de los aceros que consisteen la austenización , un calentamiento superior a 727ºC , seguido de un enfriamiento rápido paraobtener una estructura mertinsítica.

El revenido se complementa al temple , mejorando su tenacidad y disminuyendo su dureza.El recocido, el metal se calienta a una cierta temperatura durante un tiempo determinado y se ledeja después enfriar lentamente . Con este mecanismo se liberan tensiones internas y se obtienenestructuras más perfectas, pudiendo ser trabajados más fácilmente pues aumenta su plasticidad

En el normalizado de los aceros , se liberan las tensiones internas y se uniformiza el tamañodel grano.

b. Tratamientos termoquímicos.- Los metales son sometidos a enfriamientos y acalentamientos , a la vez que se modifica la composición química de su capa externa . Cabe destacarla carburación o la cementación, nitración ,etc.

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La carburación se consigue mediante difusión del carbono, obteniéndose en la reacción :

2 CO C + C O2

El monóxido de carbono se genera : C H4 + C O2 2 C O + 2 H2

c. Tratamientos mecánicos.- Se mejora las características de los metales mediantedeformación mecánica, pudiéndose realizar en caliente o en frío.

d. Tratamientos superficiales.- Se mejoran las propiedades de la superficie de los materialessin alterar su composición química. En este caso no es necesario someter al material a un proceso decalentamiento.

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