Soldadura

Tema 4. Aleaciones Hierro-Carbono. Aceros y Fundiciones.
4.1. Diagrama Fe-C. 4.2. Aceros y fundiciones. 4.3. Aceros inoxidables. 4.4. Curvas TTT de aceros. El sistema de aleaciones binario más importante es el hierro-carbono. Los aceros y fundiciones son aleaciones hierro-carbono. La clasificación de las aleaciones férreas según el contenido en carbono comprende tres grandes grupos: hierrocuando contiene menos del 0.008 % en peso de C, acero cuando la aleación Fe-C tiene un contenido en C mayor del 0.008 y menor del 2.11 % en peso (aunque generalmente contienen menos del 1 %), y fundición cuando la aleación Fe-C tiene un contenido en C superior al 2.1 % (aunque generalmente contienen entre el 3.5 y el 4 % de C).

4.1. Diagrama Fe-C. Fases en el sistema Fe-Fe3C. En la figura 4.1 serepresenta el
diagrama de fases del sistema binario Fe- Fe3C para contenidos altos de hierro. El hierro sufre cambios estructurales con la temperatura antes de fundir. A temperatura ambiente la forma estable es la ferrita o Fe-α (estructura CCI). A 912 °C la ferrita sufre una transformación polimórfica a austenita o Fe-γ (CCC). La austenita se transforma a otra fase CCI a 1394 °C que se conocecomo ferrita-δ, la cual funde a1538 °C. Todos estos cambios se pueden observar en el eje vertical del diagrama de fases para el hierro puro. El otro eje de la figura 4.1 sólo llega al 6.70 % en peso de C, concentración que coincide con el 100 % molar del compuesto intermedio Fe3C conocido como carburo de hierro o cementita. La parte entre el 6.70 % de C y el 100 % de C (grafito puro) no esimportante desde el punto de vista tecnológico y no se va a estudiar. El carbono en un soluto intersticial en el hierro y forma disoluciones sólidas con la ferrita (α y δ) y con la austenita (γ). La ferrita tiene una estructura CCI y en los intersticios se puede situar muy poco carbono, el máximo es un 0.022 % a 727 °C. Aunque en proporción muy baja, el carbono afecta mucho a las propiedades mecánicas dela ferrita. Esta fase es relativamente blanda, ferromagnética por debajo de 768 °C, y de densidad 7.88 g/cc. La austenita (Fe-γ) de estructura CCC tiene una solubilidad máxima de carbono del 2.11 % a 1148 °C. Solubilidad aproximadamente 100 veces superior a la de la ferrita. Las transformaciones de fase de la austenita son muy importante en los tratamientos térmicos de los aceros como se verámás adelante. La ferrita-δ solo se diferencia de la α en el tramo de temperatura donde existe. Al ser sólo estable a altas temperaturas no tiene interés técnico. La cementita desde el punto de vista mecánico es dura y frágil, y su presencia aumenta la resistencia de muchos aceros. Desde un punto de vista estricto, la cementita es meta estable y si se calienta entre 650 y 700 °C descompone para darFe-α y grafito en el periodo de años, que permanece al enfriar. Por tanto, los diagramas no son realmente de equilibrio, pero al ser la velocidad de descomposición de la cementita tan extremadamente lenta estos diagramas son los útiles.

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En la figura 4.1 se puede observar regiones bifásicas y un eutéctico (CE = 4.30 % en peso de C, y TE = 1148 °C). La reacción eutéctica es: LE (4.30 % C)⎯⎯⎯⎯ → ⎯

←

Fe-γ (2.11 % C) + Fe3C (6.7 % C)

En la que un líquido de composición eutéctica solidifica para dar dos fases sólidas de austenita y cementita. El posterior enfriamiento de estas fases produce transformaciones de fases adicionales. En el diagrama de fases se puede observar otro punto invariante a la temperatura de 727 °C para una composición del 0.77 % de C. La reacción deleutectoide se puede representar como: Fe-γ (0.77 % C)
⎯⎯⎯⎯ → ⎯

←

Fe-α (0.022 % C) + Fe3C (6.7 % C)

Figura 4.1. Diagrama de fases hierro-cementita

Esta transformación de fase es de una importancia vital en los tratamientos térmicos de los aceros. Como se comentó en la introducción los aceros contienen C entre el 0.008 y el 2.11 % de C, y al enfriarlas desde el campo γ se obtiene una...