Lugar que ocupan los aceros dentro del sistema aleante Fe – C. Conceptos metalúrgicos necesarios para el estudio de los aceros

1.1 Sistema de aleación Fe – C
1.1.1 Estructura cristalina de los metales.
De acuerdo a su naturaleza los cuerpos pueden ser amorfos a
cristalinos. En los cuerpos amorfos el paso del estado de agregación líquido al
sólido es gradual. Por ejemplo el vidrio sólido, si se calienta va ablandándose y
pasa poco a poco al estado líquido.
La transición inversa será completamente suave, el vidrio líquido en la
medida que bajala temperatura se va haciendo cada vez más espeso hasta
que finalmente se “solidifica”. En el vidrio no existe una temperatura de

transición del estado líquido al “sólido”, tampoco existen las temperaturas
(puntos) de cambio brusco de propiedades.


El vidrio sólido transparente ordinario es un líquido espeso subenfriado.
Este estado es amorfo, y se caracteriza por la carencia de una temperatura de
fusión determinada, y por la inexistencia de una disposición regular de los
átomos en forma de red cristalina.
Ahora bien los metales no son cuerpos amorfos sino cristalinos o sea
sus átomos están dispuestos en un espacio de acuerdo a un orden geométrico
determinado que se repite con determinada regularidad formando una red
cristalina. Esta red podemos figurárnosla en forma de una red espacial en
cuyos nodos se encuentran los átomos unidos por líneas imaginarias, en otras
palabras, es el conjunto de planos cristalográficos situados paralelamente
y a una misma distancia.


1.1.2 Retículo cristalino de los metales.
Celdilla elemental: Son el conjunto menor de átomos que conservan las
mismas propiedades geométricas de la red y que al repetirse muchas veces en
el espacio constituirán la red cristalina.
Existen 14 tipos de celdillas elementales. De ellas solo se encontrarán 4
de ellas con sus variantes en los metales y aleaciones metálicas. Estas son
1. Red cúbica centrada en el cuerpo (c.c):La red representa un cubo cuyo
parámetro es a. Los átomos están dispuestos en los vértices y en el centro
del cubo. Tienen poca densidad de compactación, es decir los átomos
ocupan un 68% del volumen de la red, mientras que en la (c.c.c) y la (h.c)
ocupan un 74% del volumen. Su número de coordinación es 8. Ej: Fe (α)
Mo, Na, etc.
2. Red cúbica centrada en las caras: La red tiene forma de cubo de
parámetro con 8 átomos en los vértices del cubo y 6 en los centros de cada
una de las caras. La densidad de compactación es del 74%. El índice de
coordinación es 12. Ej: Fe (γ), Ni, Co, Cu, Al, Ti, etc
3. Red hexagonal compacta (hc). La red tiene forma de prisma recto cuya
base es un hexaedro. Tiene dos parámetros, los lados de la base del prisma
a y su altura c. Doce átomos están dispuestos en los vértices de la red, 2
átomos en el centro de la base y 3 átomos en el interior de la red. La
densidad de computación es 74% y el índice de coordinación es 12. Ej: Ti
Co, Cd, Mg.
4. Red Tetragonal centrada en el cuerpo: Tiene forma de prisma recto de
base centrada. Los átomos están dispuesto de igual forma que en la (c.c
presenta dos parámetros, el lado de la base a y la altura c. La relación c/a
recibe el nombre de grado de tetragonalidad. El índice de coordinación es
igual a 8.

Figura 2 Tipos de redes cristalinas presentes en los metales: a)red cúbica
centrada en el cuerpo. b) red cúbica centrada en las caras. c) red
hexagonal compacta. d) red tetragonal.
Características de la red cristalina.


Parámetros de la red: Caracteriza las dimensiones de la red enAngstrom.
A través de la difracción de Rayos X, se puede calcular el parámetro de una
red con una exactitud de una cien milésima de Angstrom (1Å = 10-9mm).
Índice de coordinación: Es el número de átomos que se encuentran mas
próximos y equidistantes de un átomo dado.
Número de átomos correspondientes a una celdilla elemental: En la red
cúbica centrada en el cuerpo los átomos de los vértices pertenecen a 8
celdillas. Por consiguiente cada átomo aporta a una celdilla 1/8 de su
volumen. El átomo central pertenece a la celdilla, por lo tanto a una celdilla
elemental le corresponde

(1/8 x 8) + 1 = 2 átomos
En la red cúbica centrada en las caras al pertenecer los átomos de las
caras a dos celdillas le ecuación quedaría:

(1/8 x 8) + (1/2 x 6) = 4 átomos
•

Densidad de compactación: Es el volumen que pueden ocupar los átomos
en la red cristalina. Admitiendo que el átomo tiene forma de esfera, pueda
calcularse su valor.

1.1.3 Teoría de las aleaciones. Conceptos generales.
Para poder entender a cabalidad los procesos de cristalización y
transformaciones de fase, los especialistas se auxilian de los diagramas de
equilibrio. Estos describen los procesos que transcurren durante los
enfriamientos y calentamientos de un sistema aleante dado. Es decir que si se
quiere pronosticar las estructuras que se obtendrán durante un tratamiento
térmico dado usando el diagrama de estado de la aleación se podrá realizar
este pronóstico. Esto será posible siempre y cuando el enfriamiento o el
calentamiento sean de equilibrio.
Un Diagrama de Estado es la representación gráfica delestado de una
aleación, si varía la composición de una aleación, su temperatura o presión, el
estado de la composición de la aleación, su temperatura o presión, el estado de
la aleación también cambia, esto se refleja gráficamente en el diagrama de
estado.
• El diagrama de estado muestra los estados estables, es decir, los
estados que en esas condiciones poseen el mínimo de energía libre.
Por esto el diagrama de estado también puede llamarse diagrama de
equilibrio, ya que indica las fases en equilibrio que existen en unas
condiciones dadas.
De acuerdo con esto los cambios de estado reflejados en el diagrama
también se refieren a las condiciones de equilibrio, es decir, en ausencia de
sobrecalentamiento ó subenfriamiento. Sin embargo, para adentrarse en el
estudio de un diagrama de estado es indispensable dominar algunos conceptos
relacionados con los mismos como aleación metálica, componente, fase
constituyente estructural, etc.
Una Aleación es la sustancia obtenida por fusión de dos o más
elementos uno de los cuales al menos debe ser un elemento metálico. Como

es natural la estructura de una aleación metálica será más compleja que la de
un metal puro y depende principalmente de las interacciones en que
intervienen los componentes de la aleación. Aunque estas pueden obtenerse
por sinterización, electrólisis o sublimación lo más corriente en la producción de
aleaciones es la obtención por fusión de diferentes sustancias.
A continuación se pasará a definir los conceptos de fase, constituyente
estructural y componente. Se llaman componentes a las sustancias simplesque componen la aleación. Por lo tanto un metal puro será un sistema de un
componente, una aleación de dos metales un sistema binario. El componente
principal de una aleación metálica será siempre un elemento metálico. Los
compuestos químicos se consideran como componentes si no se disocian en
las partes que las componen en el intervalo de temperatura que se analizan.
Fase es la parte homogénea de un sistema separada de las demás
partes del mismo (fases) por una superficie de separación, al pasar la cual la
composición química o la estructura de la sustancia cambia bruscamente.
Constituyente estructural son los elementos constitutivos de diferentes
estructuras cristalinas que pueden estar formadas por una o más fases. Ej
Perlita, Austenita, Ferrita, Ledeburita, Cementita.
Las diferentes formas de combinación de los elementos componentes
que se encuentran en la práctica en las aleaciones metálicas pueden ser
clasificadas como mezclas mecánicas, soluciones sólidas, compuestos
químicos, compuestos electrónicos, fases de laves y fases de inserción.
1.1.3.1 Mezclas Mecánicas.
Las mezclas mecánicas de dos componentes se forman cuando estos
son incapaces de disolverse mutuamente en estado sólido y no reaccionan
químicamente formando compuestos. En estas condiciones las aleaciones
estarían formadas por cristales de A y B claramente distinguibles en la
microestructura.

El análisis roentgnográfico de esta aleación mostrará que existen las dos
redes de los componentes A y B. Si en esta aleación se analizan por separado
las propiedadesde los cristales A y de los cristales B estos serán idénticos a
los de los metales puros A y B
Las propiedades mecánicas dependen de la relación cuantitativa entre
los componentes y del tamaño y forma de los granos siendo sus valores
intermedios entre los de las propiedades características de los componentes
puros.



1.1.3.2 Combinación química.
Si se forma un compuesto químico.
a) La relación entre el número de átomos de cada elemento coincide con la
proporción estequiométrica la cual puede expresarse por medio de una
fórmula sencilla (A nBm).
b) Se formará una red cristalina específica (distinta de los elementos que
integran el compuestos químico) en la cual los átomos de los componentes
están ordenados de manera regular.
La combinación química también se caracteriza por tener una
determinada temperatura de fusión. (disociación) y por variar a saltos las
propiedades cuando varía la composición.
Si un compuesto químico se forma con elementos metálicos, en los
nodos de las redes se encontrarán los iones con carga positiva retenidos por el
gas electrónico, es decir, en este caso por el llamado enlace metálico. El
enlace en este caso no es rígido y por esto en determinadas condiciones la
cantidad de un elemento cualquiera puede ser mayor o menor al que
corresponde a la relación estequiométrica.
Por esta causa la formación de compuestos químicos con átomos
metálicos no cumple la ley de valencia.
Al formarse un compuesto químico de un metal con un no - metal
aparece el enlace iónico.
Como resultado de la interacción de los elementos en este caso el
átomo demetal cede electrones de valencia y se convierte en un ion positivo, y
el átomo del metaloide acepta los electrones, los incorpora a su capa exterior y
se trasforma en ion negativo. En la red de un compuesto de este tipo los
elementos son retenidos por la atracción electrostática.
En los compuestos de este tipo el enlace es rígido y la composición
química constante y corresponde exactamente a la relación
estequiométrica, es decir no puede haber exceso ni defecto de átomos de
cualquiera de los elementos que forman el compuesto químico.
1.1.3.3 Soluciones Sólidas.
sCómo se encuentran los elementos de una aleación en estado líquido?
Al pasar del estado líquido al sólido muchas aleaciones conservan su
homogeneidad y por consiguiente la solubilidad. La fase sólida se forma como
resultado de la cristalización de una aleación de este tipo llamada solución
sólida.
El análisis químico o espectral demuestra que en las soluciones
sólidas dos o más elementos muestran que según los datos del análisis
metalográfico esta solución, lo mismo que el metal puro tiene granos
homogéneos. El análisis roentgráfico pone de manifiesto en la solución
sólida, lo mismo que en un metal puro un solo tipo de red.


Además a diferencia de los compuestos químicos la solución sólida tiene
una composición química que no existe con una relación rigurosamente
determinada de los componentes, sino en un intervalo de concentraciones.
Tipos de soluciones sólidas.
En toda solución sólida existe un metal en que se disuelven los átomos
de la sustancia soluto.De acuerdo a ocurra la disolución existen 2 tipos de
solución existen dos tipos de solución sólida.
1. Soluciones sólidas por sustitución: El metal A tiene por ejemplo la red
representada C.C. La disolución del componente B en el metal A se efectúa
por sustitución parcial de átomos de A por átomos de B.

Figura 5 Solución sólida por sustitución.
Soluciones sólidas por inserción. Los átomos del soluto C se sitúan entre los
átomos de A.

Figura 6 Solución sólida por inserción.




Las soluciones sólidas por sustitución pueden ser limitadas e ilimitadas.
Cuando la solubilidad es total cualquier cantidad de átomos de A puede ser
sustituida por átomos de B.

Figura 7 Solución Sólida Ilimitada.
Para esto deben cumplirse dos condiciones.
1. Que ambos metales tengan la misma red cúbica.
2. Que la diferencia entre las dimensiones atómicas sea lo suficientemente
pequeña y sobre todo para elementos que se encuentran cerca unos de
otros en la tabla periódica.
1.1.3.4 Compuesto electrónicos.
Se conocen también como fases (Hume Rothery) se caracterizan por
una relación de los electrones de valencia con respecto al número de átomos
(3/2, 21/3 o 7/4) correspondiéndole a cada relación una relación una red
cristalina determinada. Ej 3/2 c.c y 7/4h.c. Se encuentran en muchas
aleaciones de Zn, Cu, Sn, Fe y Al. Tienen una red cristalina nueva y mantienen
una relación estequiométrica como los compuestos químicos.
Pero si elevamos la temperatura los átomos se distribuyen
estadísticamente, distribución esta que permanece cuando descienden las
temperaturas. Por lo que podemosconsiderar a los compuestos electrónicos
como un intervalo entre la solución sólida y el compuesto químico. (Ej: sistema
Cu – Zn).
1.1.3.5 Fase de Laves y Fases de Inserción.
Fases de Laves: Fases de fórmula estequiométrica AB2 que se forman entre
elementos cuyos diámetros atómicos cumplen aproximadamente la relación 1:
1 que forman redes complejas y se encuentran como endurecedoras
intermetálicas en las aleaciones resistentes al calor.
Ejemplo: MgCu2 , TiCr2, Val2 , MgZn2 , FeBe2, WFe2.
Fases de Inserción: Se forman entre los metales del grupo de transición y los
metaloides de radio atómico pequeño (H2 , N2, C). Si la razón del radio atómico
del metal es < 0,59 Los átomos del metal forman redes sencillas
generalmente (cc, ccc, hc) y los átomos del no metal se insertan en los poros
de la red en lugares determinados. Son considerados como compuestos
químicos y su relación de átomos puede expresarse en fórmulas simples como
M4X, M2X, MX, etc, donde M es el metal y X el no metal.



Muchos carburos y nitruros que se encuentran en los aceros y otras aleaciones
son fases de inserción.
1.1.4 Diagramas de estado Fe – C. Diagrama metaestable.
En el caso de las aleaciones ferrosas el diagrama de estado que se
toma como punto de partida para el estudio del comportamiento metalúrgico de
dichas aleaciones es el diagrama de estado bifásico Fe – C. En este trabajo se
toma como punto de partida el estudio de las fases y componentes que
componen dicho sistema.
1.1.4.1
Caracterización del Fe y el C
Características del Hierro.
• Metal de color gris plateado.
• Temperatura defusión 1539°C.
• Dureza ≈ 80 HB y elongación relativa = 50%.
• Presenta dos formas alotrópicas α y γ
Figura 8 Curva de enfriamiento del hierro puro.

Que el hierro exista en dos formas alotrópicas o redes cristalinas amplía
las posibilidades de transformaciones de fases, lo que es lo aprovechado por el
tratamiento térmico de las aleaciones de hierro con otros componentes y
fundamentalmente con el carbono.
El hierro en unión del carbono tendrá la posibilidad de formar con este
último soluciones sólidas en base a los hierros alfa (ferrita) y al hierro gamma
(austenita) o también podrá formar compuestos químicos como la cementita
(Fe3C).
Caracterización del carbono (C).
• Es el otro componente en la aleación Hierro Carbono.
• Es un elemento no metálico.
• En estado libre se denomina grafito.
Es muy interesante el hecho de que el carbono en su forma natural
(grafito) puede servir para la fabricación de lápices y al combinarse con el
hierro puede formar compuestos químicos de características totalmente
diferentes como la cementita.
El diagrama de estado hierro carbono visto de manera general, debe
extenderse desde el hierro hasta el 100% de carbono, pero como en la práctica

solo empleamos aleaciones metálicas cuyo contenido de carbono no
sobrepasa el 5%, solo se estudiará la parte del diagrama que va desde el hierro
hasta la cementita la cual se forma a 6,67% de carbono. Por tanto los
componentes del diagrama que se estudiará será el Hierro – Cementita.
Caracterización de la cementita (Fe3C).
• Es un compuesto químico denominado carburo de hierro.
• Sutemperatura de fusión es de aproximadamente 1250°C.
• Su dureza es de 800 HB y su elongación cercana al 0%.
• Con otros elementos forma soluciones sólidas denominadas cementitas
aleadas.
• Es inestable termodinámicamente y se descompone en determinadas
condiciones para dar carbono libre (grafito).
Fe3C ⇔ 3 Fe + C
1.1.4.2 Diagramas de estado Fe – C. Diagrama metaestable.

Figura 9 Diagrama Fe – C metaestable.
La línea ABCD es la línea del líquido y la AHJECF la del sólido.
Como el hierro además de formar con el carbono el compuesto químico
Fe3C, tiene dos transformaciones alotrópicas α y γ, en el sistema existen las
fases siguientes
Líquido: Solución líquida de carbono en hierro. Existe por encima de la línea
del líquido y se designa por L
Cementita: Fe3C, existe en la vertical DFKL se designa por su fórmula química
o por C.


Ferrita: Constituyente estructural que es hierro α, el cual disuelve el carbono
en cantidades insignificantes. Se representa por Feα, F ó α. La región de la
ferrita en el diagrama hierro carbono se encuentra a la izquierda de las líneas
GPQ, y AHN.
Austenita: Estructura consistente en una solución sólida de carbono en hierro
γ. La región de la austenita es NJESG. Se designa por A, γ ó Feγ.
Se estudiará el diagrama analizando fundamentalmente las tres
reacciones principales que se representan en líneas horizontales, comenzando
el análisis desde las temperaturas más altas hacia las inferiores.
•

Reacción Peritéctica L + α → γ ocurre a 1499sC.

Figura 10 Zona del Diagrama Fe – C correspondiente a la reacción
peritéctica.
Como resultado deesta reacción se formará austenita. Ocurre para
aleaciones entre 0 y 0,5% de Carbono.
Reacción eutéctica. L → γ + Fe3C (a 1147sC).

Figura 11 Zona del Diagrama Fe – C correspondiente a la reacción
eutéctica.



Como resultado de la reacción se formará la mezcla eutéctica. La
mezcla eutéctica de γ y Fe3C se llama ledeburita.
L4 γ 2,14 + Fe3C6,67
Ocurre esta reacción para todas las aleaciones con más de 2,14%C. En
esta zona se observa además la línea de pérdida de solubilidad de la austenita.
A la cementita segregada de la austenita se le llama secundaria, siendo
denominada la que solidifica desde el líquido cementita primaria (ambas
estructuras son idénticas).
Reacción eutectoide. → α + Fe3C (a 1147sC).

Figura 12 Zona del Diagrama Fe – C correspondiente a la reacción
eutectoide.
El producto de la transformación es una mezcla eutectoide. La mezcla
de α y Fe3C se llama perlita. Ocurre para aleaciones de más de 0 %.
•

Clasificación de los aceros al carbono de acuerdo a la microestructura.

En el diagrama metaestable se destacan dos tipos de aleaciones
técnicas de gran importancia que son los aceros y las fundiciones.
Los aceros al carbono se presentan con un contenido de hasta 2 %C
y las fundiciones desde este valor hasta 6,67%C, aunque en la práctica hasta
5%. Los aceros además de tener el Fe y el C poseen impurezas como Si, Mn
P y S, acerca de las cuáles puede estudiarse en el Metalografía de A.P.
Guliáev; sobre todo su influencia en la estructura y propiedades de los aceros.
La introducción del carbono en el Fe modifica las propiedadesde este de
forma muy significativa y es necesario conocer que ocurre en los aceros al
aumentar el % de C. La primera clasificación de los aceros la realizaremos de
acuerdo a su estructura de equilibrio.
Hipoeutectoides: Menos de 0,8%C (estructura de ferrita y perlita).


Eutectoides: 0 %C (Estructura de perlita).
Hipereutectoides: Mas de 0 %C y menos de 2,14%C (estructura de
cementita y perlita).
Producto de la variación de la estructura y de la composición de fases, a
medida que aumenta el contenido de carbono ocurre mayor deformación en las
redes cristalinas, en las soluciones sólidas y la aparición de cementita muy
dura y frágil en mayor cantidad. Además esta se coloca en el borde del grano lo
que tiende a fragilizar la estructura del acero de un 0 a 1,2%, lo que hace que
la resistencia que iba en aumento hasta el momento disminuya mientras que la
dureza siempre va a aumentar, disminuyen la resiliencia y el alargamiento
relativo.
Es importante también la influencia del carbono en la tenacidad de los
aceros. El aumento del contenido de carbono eleva el umbral de fragilidad en
frío y hace que disminuya la resiliencia en la región de tenacidad (es decir a
temperaturas superiores al umbral de fragilidad en frío).