Materiales ferrosos

UNIDAD 3 PROCESOS DE OBTENCIÓN DE METALES

METALES FERROSOS

Los metales ferrosos están basados en el hierro, el cual es conocido desde la antigüedad por los seres humanos. Las propiedades y demás datos referentes al hierro se especifican en la tabla 1. Los metales ferrosos de mayor importancia en ingeniería son las aleaciones de hierro y carbono. Estas aleaciones se dividen en dos grandesgrupos: aceros y fundiciones de hierro. Juntos constituyen el 85% del tonelaje de metales en Estados Unidos. Empecemos nuestro análisis de los metales ferrosos examinando el diagrama de fase hierro-carbono.

Tabla 1 Datos básicos sobre los elementos metálicos: (a) hierro;

Símbolo: Fe
Numero atómico: 26
Gravedad específica: 7.87
Estructura cristalina: BCC
Temperatura de fusión: 2802 º F(1539 º F)
Modulo de elasticidad: Hematita
Elementos de aleación: Carbón; también cromo, manganeso, níquel, molibdeno, vanadio y silicio.
Aplicaciones típicas: Construcción, maquinaria, automotores, vías y equipo ferroviario.

Diagrama fase hierro-carbono

Figura 1

El diagrama de fase hierro carbono se muestra en la figura. El hierro puro se funde a 2802º F (1539º C). Durante el ascensode la temperatura (desde la temperatura ambiente) sufre varias transformaciones en su fase sólida como se indica en el diagrama. A partir de la temperatura ambiente las fase es alfa ((), también llamada ferrita. A 1674 º F (912 º C), la ferrita se transforma en gamma (() llamada austenita. Esta, a su vez, se transforma en delta (() a los 2541 º F (1394 º C), fase en la que permanece hasta queocurre la fusión. Las tres fases son distintas; alfa y delta tienen estructuras BCC; y la gamma, situada entre estas dos, es FCC.
El hierro se encuentra disponible como producto comercial en varios niveles de pureza. El hiero electrolítico es el más puro, contiene alrededor del 99.00%, se usa en investigación y otras aplicaciones en las que se requiere un alto grado de pureza. El hierro de lingote,con un contenido de impurezas del orden de 0,1% (incluyendo cerca de 0,01% de carbono), se utiliza en aplicaciones donde se necesita alta ductilidad y resistencia a la corrosión. El hierro dulce contiene alrededor de 3% de escoria, pero muy poco carbono, y se puede trabajar fácilmente en operaciones de formado en caliente como el forjado.
Los límites de solubilidad del carbono en el hiero son bajosen la fase ferrita, solamente un 0,022% a 1333 º F (723 º C). La austenita puede disolver hasta casi un 2,1 % de carbono a una temperatura de 2066 º F (1130 º C) esta diferencia en solubilidad entre las fases alfa y gamma ofrece oportunidades para el fortalecimiento por tratamiento térmico. Aún sin tratamiento térmico, la resistencia del acero aumente dramáticamente conforme aumenta el contenidode carbono, aquí entramos en la región en que el metal cambia de nombre por el de acero. Más precisamente, el acero se define como una aleación hierro-carbono que contiene de 0,02% a 2,11% de carbono; desde luego los aceros pueden contener también otros elementos aleantes.
En el diagrama podemos observar una composición eutéctica a una concentración de 4,3% de carbono. Hay una región sólida deldiagrama una característica similar a una concentración de 0,77% de carbono y 133 º F (723 º C). A ésta se le llama composición eutectoide. Los aceros por debajo de este nivel de carbono son conocido como aceros hipoeutectoides, y arriba de ese nivel, se 0,77 a 2,11 % de carbono se les llama aceros hipereutectoides.
Además de las fases mencionadas, hay otra fase prominente en el sistema dealeación hierro carbono. Ésta es Fe3C, también conocida como cementita, una fase intermedia: compuesto metálico de hierro y carbono que es duro y frágil. A temperaturas bajo condiciones de equilibrio las aleaciones hierro carbono forman un sistema de dos fases, aún a niveles de carbono ligeramente superiores a cero. El contenido de carbono en el acero fluctúa precisamente entre estos bajos niveles y...