Sistema Fe-C. Diagrama de equilibrio metaestable Fe-C. Fases austenita, ferrita y cementita

Diagrama de Fases Hierro-Carbono

Introducción al Diagrama de Fases

• En esta clase se abordará el diagrama de fases hierro-carbono, centrándose en los aceros al carbono y fundiciones antes de estudiar el equilibrio del sistema.

• El hierro puro puede cristalizar en dos estructuras: cúbica centrada en las caras (fcc) y cúbica centrada en el cuerpo (bcc), dependiendo de la temperatura.

Solubilidad del Carbono

• La solubilidad del carbono es mayor en la fase fcc que en la bcc debido a que hay más espacio intersticial disponible para los átomos de carbono.

• Es importante notar que el diagrama mostrado es metaestable, lo que significa que algunas fases pueden descomponerse en otras más estables.

Fases Estables y Metaestables

• El diagrama metaestable se utiliza comúnmente ya que los enfriamientos extremadamente lentos necesarios para obtener un diagrama estable no ocurren en la práctica.

• La fase cementita, resultante de la descomposición de la austenita, puede formar grafito o ferrita.

Estructura del Diagrama Hierro-Carbón

• En el eje vertical se representa la temperatura (°C), mientras que en el eje horizontal se muestra el porcentaje de carbono.

• A 0% de carbono tenemos hierro puro; al aumentar la temperatura, se observan cambios estructurales desde hierro alfa (bcc) hasta gamma (fcc).

Comportamiento del Carbono en Diferentes Fases

• La solubilidad máxima del carbono es limitada a 0.025% en fase alfa y hasta 2% en fase gamma debido al espacio intersticial disponible.

• La cementita o carburo de hierro (Fe₃C), formada por debajo de 723 °C, tiene una estructura romboédrica y un contenido fijo de 6.67% de carbono.

Reacciones Importantes del Diagrama

• Existen tres reacciones clave:

• Reacción eutéctica: transformación isotérmica donde líquido forma dos fases distintas: ferrita y cementita.

• Reacción peritéctica: mezcla líquida con fase delta formando nueva fase gama a alta temperatura.

• Reacción eutectoide: a 723 °C, donde austenita se transforma en perlita compuesta por ferrita y cementita.

Estructura Perlítica

• La perlita no es una fase única sino una combinación estructural entre ferrita blanda y cementita dura.

Estructura de Acero y Microestructura

Formación de la estructura política del acero

• A 723 grados Celsius, se forma la estructura política compuesta por láminas de ferrita y cemento, representadas en una imagen gráfica donde los granos de gama forman esta estructura.

Microestructura perlítica

• La microestructura se observa como una matriz ferrítica blanca con láminas de cementita más oscuras. Esta combinación se denomina perlita, aunque no es una fase única sino la coexistencia de dos fases distintas.

Comportamiento del acero con bajo contenido de carbono

• En aceros con menos del 0.8% de carbono, al descender la temperatura, la ferrita comienza a crecer en los bordes de los granos gamma hasta que se cristaliza en perlita.

Efecto del contenido de carbono en la microestructura

• Un acero al carbono con 0.1% tendrá casi un 100% de ferrita visible como zonas blancas, mientras que un aumento en el porcentaje de carbono mostrará estructuras más equilibradas entre ferrita y cementita.

Cristalización y crecimiento a altas temperaturas

• Al alcanzar temperaturas donde coexisten las fases gamma y cementita, los granos comenzarán a cristalizar. A 723 grados Celsius, se formará una estructura que incluye tanto cementita como perlita.

Cálculo del Porcentaje de Carbono en Acero

Determinación del porcentaje relativo mediante metalografía

• Se presenta un método para calcular el porcentaje de carbono cuando no se conoce la composición química exacta. Con un enfriamiento lento desde la zona austénitica, se puede determinar que hay un 95% de perlita y 5% de cementita.

Aplicación práctica para el cálculo

• Utilizando la regla de palanca entre el total porcentual (100%) para cada fase (perlita y cementita), se establece que si hay un 95% de perlita, esto permite inferir el porcentaje exacto del contenido carbonoso presente en el acero analizado.