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Apunte N2Metalurgia de los Aceros y

Fundiciones

Tecnologa de los Materiales II

Docente: Daniel Jimnez G.

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METALURGIA FSICA

Metales Puros: Los metales puros se puedenestudiar en base a:

1. Sus propiedades mecnicas: resistenc ia,

tenacidad, elasticidad, ductilidad, etc.2. Sus propiedades qumicas.3. Sus propiedades fsicas.

Se considera, en una primera aproximacin alos metales puros como slidos perfectos, esdecir:

Plsticos: Con capacidad para deformarse. Continuos: Conductividad del material punto a punto en todas Sus direcciones. Istropo: En cualquier punto del material sus propiedades son Iguales en todas

sus direcciones. Homogneo: Sus propiedades y composicin qumica son Iguales en todos los

puntos del material.

Aleaciones: Estas estn formadas por:1. Metal base.2. Elementos de aleacin. Le dan las

caractersticas a la aleacin.3. Constituyentes menores. Mejoran

ciertas propiedades.4. Impurezas.

Las aleaciones han permitido mejorar lascaractersticas y propiedades mecnicas delos metales.

Caractersticas que mejoran entre una aleacin y un metal puro.

Lmite de fluencia. Resistencia a la: traccin, corrosin, al desgaste y a elevadas T. Templabilidad. Tenacidad. Ductilidad. Resiliencia. etc.

Tpo [s]

T []

Slido

Slido + Lquido

Lquido

Tpo [s]

T []

Slido

Slido + Lquido

Lquido

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METALOGRAFA DE ACEROS

La metalografa, tiene por objeto el estudio de la estructura de los metales. Lascaractersticas y propiedades de los diversos constituyentes de los aceros en estadode equilibrio, se aprecian con gran claridad en el examen microscpico.

Microconstituyentes de Aceros No Aleados.

Ferrita.

Cementita.

Perlita.

Austenita

Microconstituyentes de Aceros No Aleados Templados.

Martensita.

Estructuras intermedias ( Sorbita, Troostita y Bainita ).

Otros Microconstituyentes.

Adems de los microconstituyentes comentados, los aceros no aleados presentan ensus microestructuras otros elementos de inters. Entre los que se encuentran mscomnmente, destacan las impurezas, xidos e inclusiones resultado de la deficientedesoxidacin y refino de los mismos. Los xidos se producen en la superficie de lapieza generalmente, aunque pueden existir ciertos procesos de oxidacin interna quelos hacen aparecer de color gris plido a gris oscuro segn el tiempo de pulidoempleado. Entren las inclusiones destacan las de silicatos y las de sulfuros,principalmente de Manganeso, que aparecen como granos alargados en la direccinde laminacin, con coloraciones oscuras y gris paloma respectivamente. Laobservacin de estos microconstituyentes es conveniente realizarla previamente alataque de la probeta metalogrfica.

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EL DIAGRAMA Fe-C

El diagrama de Fe C nos permite estudiar y observar las distintas estructuras o fasesque experimentan los aceros al carbono y fundiciones, an cuando tericamenterepresenta unas condiciones metastables; se puede considerar que en condicionesde calentamiento y enfriamiento relativamente lentas representa cambios de estadode equilibrio.

OBS:No nos sirve para mostrar las estructuras que se obtienen cuando se enfra unacero o fundicin en forma rpida, por lo cual es necesario recurrir a otros diagramas

llamados T.T.T. ( Transformacin - Tiempo y Temperatura ) o el diagrama de las "S".

El diagrama de Fe C, permite el estudio de dos categoras de aleaciones, estas son:

1. Los aceros: cuyo contenido de carbono es importante. Usualmente seencuentra en el intervalo de 0.1 a 1.5 % C, con un valor mximo de 2.

2. Las fundiciones: En que el contenido de carbono mnimo es 2 %, mientras queel mximo prctico es aproximadamente de 4.5 % C, con un valor tericomximo de 6.67 % C.

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En el diagrama se encuentran las temperaturas crticas superior e inferior, lasdiferentes estructuras, las transformaciones, clasificaciones y porcentaje de carbonode los aceros y fundiciones.

La adicin de elementos de aleacin al hierro influye en las temperaturas a que se

producen las transformaciones alotrpicas (Alotropa: cambio de fases o estructura alestado slido). Entre estos elementos, el ms importante es el carbono.

En el diagrama aparecen tres lneas horizontales, las cuales indican reaccionesisotrmicas. La parte del diagrama situada en el ngulo superior izquierdo de lafigura se denomina regin delta. En ella se reconocer la horizontal correspondientea la temperatura de 1493C como la tpica lnea de una reaccin peritctica. Laecuacin de esta reaccin puede escribirse en la forma.

La mxima solubilidad del carbono en el hierro delta (de red cbica centrado en elcuerpo) es 0,10 % de C, mientras que el Fe gamma (de red cbica centrado en lascaras) disuelve al carbono en una proporcin mucho mayor. En cuanto al valorindustrial de esta regin es muy pequeo ya que no se efecta ningn tratamiento

trmico en este intervalo de temperaturas.La siguiente lnea horizontal corresponde a una temperatura de 1129C, estatemperatura es la de solidificacin del eutctico. y la reaccin que en ella sedesarrolla es:

La mezcla eutctica, por lo general, no se ve al microscopio, ya que a la temperaturaambiente la fase gamma no es estable y experimenta otra transformacin durante elenfriamiento.La ltima lnea horizontal, se presenta a los 722C, esta lnea corresponde a latemperatura de formacin del eutectoide, y al alcanzarse en un enfriamiento lento lafase gamma debe desaparecer. La ecuacin de la reaccin eutectoide que sedesarrolla puede expresarse por:

En funcin del contenido de carbono suele dividirse el diagrama de hierro-carbono endos partes: una que comprende las aleaciones con menos del 2 % de carbono y quese llaman aceros, y otra integrada por las aleaciones con ms de un 2 % de carbono,las cuales se llaman fundiciones. A su vez, la regin de los aceros se subdivide enotras dos: una formada por los aceros cuyo contenido en carbono es inferior alcorrespondiente a la composicin eutectoide (0,77 %C) los cuales se llaman aceroshipoeutectoides, y la otra compuesta por los aceros cuyo contenido se encuentraentre 0,77 y 2 %, y que se conocen por aceros hipereutectoides.

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MICROCONSTITUYENTES DE ACEROS NO ALEADOS.

FERRITA

Es una solucin slida intersticial de carbono en una red cbica centrada en elcuerpo de hierro. Admite hasta un 0,021 % C en solucin a la temperaturaeutectoide. Es el constituyente ms blando del acero. Su resistencia es de 28Kg/mm2 (2,7 MPa). Es ferromagntico siendo su temperatura de Curie 768C ( Sedenomina Temperatura de Curie a la temperatura a la que un cuerpo ferromagntico

pierde su magnetismo). A partir de esta temperatura hasta los 910C sucomportamiento es paramagntico, por lo que antigua y equivocadamente se lecrey otra fase denominndosele hierro beta. La morfologa y estructura granular dela ferrita es muy variada pudindose encontrar hasta 24 trminos descriptivos de lamisma. Sin embargo, son dos las morfologas que conviene destacar (Fig. 1):Morfologa equiaxialy (fig. 2): estructura de Widmansttten.

Fig. 1, x100 Fig. 2, x100

La morfologa equiaxial corresponde a granos poligonales de ejes aproximadamenteiguales, que resultan a veces atacados diferentemente en funcin de su orientacincristalogrfica respecto a la superficie de observacin.En la estructura de Widmansttten un enfriamiento rpido desde altas temperaturas

obliga a un crecimiento de la ferrita segn ciertas direcciones preferenciales,resultando granos alargados en dichas direcciones del grano de austenita previo.

CEMENTITA

Es el carburo de hierro Fe3C con un contenido fijo de carbono del 6,67%. Es elconstituyente ms duro del acero alcanzando una dureza de 68 HRC. Tambin lamorfologa de la cementita es muy variada siendo destacables algunas estructurastpicas. Se consideran las siguientes en los aceros:

a) Cementita secundaria.b) Cementita eutectoide.c) Cementita terciaria.

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En los aceros, la cementita libre, no asociada con otras fases suele aparecer en losaceros hipereutectoides, como cementita secundaria, formando una red continuaenmarcando una estructura granular formada por colonias de perlita (fig. 1).Tambin, aparece como consecuencia de una precipitacin en estado slido enaceros con muy poco carbono, como consecuencia de la disminucin de la

solubilidad del mismo por debajo de la temperatura de transformacin eutectoide. Seconoce como cementita terciaria.La cementita no libre, nicamente aparece asociada a la ferrita, como lminas finasalternadas de una y otra, cuyo agregado se conoce como perlita. Son tambindestacables las formas que la cementitaadopta como la esferoidita.

Fig. 1, x100

Comparada con la austenita o con la ferrita, la cementita es muy dura y frgil.

PERLITA

Es un microconstituyente bifsico, eutectoide. Est formado por granos alargados(considerando las tres direcciones son lminas) de cementita en una matriz ferrtica(Fig. 1) presentado en capas alternadas de ferrita y cementita. Cuando estaestructura laminar es muy fina (las lminas son muy delgadas) la perlita se ve almicroscopio ptico como negra. Sin embargo ambas fases, ferrita y cementita, en

condiciones normales de ataque son blancas. El color oscuro o negro lo producen elgran nmero de lmites de grano existentes entre la matriz ferrtica y las lminas decementita. Se comprende que cuanto ms anchas sean las lminas (se hablaentonces de perlita abierta o basta) la tonalidad se ir aclarando hasta poderdistinguirse las distintas lminas, no por ello la perlita pierde su carcter demicroconstituyente, porque tiene una apariencia definida bajo el microscopio y puedeser claramente identificada como una estructura compuesta de varios constituyentes.

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Fig. 1, x400 Fig. 2, x400

AUSTENITA

Es el constituyente ms denso de los aceros y est formado por una solucin slidapor insercin de carbono en hierro gamma. La cantidad de carbono disuelto, vara de0.8 al 2 % C que es la mxima solubilidad a la temperatura de 1130 C. La austenita

no es estable a la temperatura ambiente pero existen algunos aceros al cromo-nqueldenominados austenticos cuya estructura es austenita a temperatura ambiente.La austenita est formada por cristales cbicos centrados en las caras, con unadureza de 300 Brinell, una resistencia a la traccin de 100 kg/mm2y un alargamientodel 30 %, no es magntica.

Microestructura de la austenita

MICROCONSTITUYENTES DE ACEROS NO ALEADOS TEMPLADOS.

MARTENSITA

Es una fase metaestable de estructura tetragonal, obtenida por un enfriamientobrusco de una solucin slida intersticial y que se forma mediante un movimiento decizalladura en la red. Osmod (1902) la describa as: "(al observar al microscopio)...pueden verse agujas o fibras rectilneas an ms finas orientadas en direcciones

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paralelas y separadas o no por una matriz de apariencia granular o vermicular". Debeaadirse que dichas agujas aparecen slo claramente cuando el porcentaje decarbono es alto siendo en otro caso la apariencia ms parecida a hebras de pajaamontonada. Su dureza depende del porcentaje de carbono que tenga en solucin yest comprendida entre 25 y 67 HRC, aproximadamente.

x400

ESTRUCTURAS INTERMEDIAS

Estos microconstituyentes aparecen cuando el enfriamiento del acero desde latemperatura eutectoide no es tan rpido como para producir el temple ni tan lentocomo para dar lugar a estructuras conteniendo perlita. La sorbita y troostita sonconsideradas como estructuras bifsicas donde la ferrita y cementita apenas sondiscernibles. La bainita es el nico microconstituyente relativamente fcil deidentificar y al que se considera de ms importancia en la bibliografa, tanto en laforma bainita superior o arborescente y como bainita inferior o acicular. Losmecanismos de formacin de la bainita son an hoy da discutidos aunque coincidenen sealar la existencia de ferrita sobresaturada de carbono y de cementita queadopta morfologas parecidas a las descritas por Widmansttten.

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ESTADOS ALOTROPICOS DEL FIERRO

Cuando un metal cambia de un estado alotrpico ( cambio de fase ) a otro, casi todassus propiedades varan, pero el cambio de mayor importancia es el cambio de

solubilidad, variando sus propiedades. Tambin puede ir acompaado de cambiosvolumtricos. La alotropa del Fierro, proporciona la fase para los tratamientostrmicos del acero.

Si se deja enfriar lentamente una muestra de fierro (Hierro Fe ) puro, desde el estadolquido, se puede observar que se solidifica a 1535 C. Al continuar descendiendo latemperatura, no se observa nada anormal en el proceso de enfriamiento hasta los1400 C, donde se nota una disminucin en la velocidad de enfriamiento, debido a undesprendimiento de calor. Luego hacia los 898 C, se produce otro nuevodesprendimiento de calor y se aprecia otra disminucin de la velocidad deenfriamiento bastante neta y pronunciada, hacia los 750 C, vuelve a ocurrir otraparada en el enfriamiento, que es la ltima antes de llegar a la temperatura ambiente.

Esas temperaturas en las que ocurren estos fenmenos, se llaman temperaturascrticas o puntos crticos, y se denominan Ar 4; Ar 3; Ar 2. A 1400 C (Ar 4),

corresponde a un cambio alotrpico del fierro que pasa de Fe delta (Fe cbico decuerpo centrado) a fierro gamma.(Fe cbico de caras centradas). El punto Ar 3, a898 C, seala la transformacin del fierro gamma ( Fe ) en fierro alfa ( Fe ) nomagntico y el punto Ar 2, corresponde a la transformacin del fierro alfa nomagntico en fierro alfa magntico.

Cuando el proceso es inverso y se calienta el fierro, desde la temperatura ambientehasta 1550 C , los fenmenos se presentan en forma parecida, pero a temperaturasun poco superiores, recibiendo ahora esos puntos crticos los nombres Ac 3; Ac 4; Ac2. El Ac 2 se presenta hacia los 790 C, el Ac 3 a los 910 C y el Ac 4 a 1410 C.

Esta diferencia que existe entre las temperaturas crticas en el enfriamiento ycalentamiento indican, que las temperaturas crticas reales sin duda se encuentranentre Ac 3 y Ar 3 y Ac 2 y Ar 2. Si se pudiera realizar esos calentamientos oenfriamientos a una velocidad infinitamente lenta, los puntos se hallaran a la mismatemperatura en ambos procesos.

A esos puntos crticos se les ha dado los nombres Ar y Ac, en base al vocablofrancs

Refroidissement = Enfriamiento Chauffage = Calentamiento

Cuando analizamos en el diagrama Fierro - Carbono ( Fe - C ) terico, en lo que serefiere a calentamiento o enfriamiento lentos, podemos decir que la transformacinPerlita a Austeni ta, se verifica a 721 C, en cambio, al referirnos a un procesoindustrial de calentamiento, diremos por ejemplo, que en el calentamiento latransformacin Perlita a Austenita ha ocurrido entre 725 C y 740 C, y en elenfriamiento, entre 690 C y 700 C. Adems se debe tener encuentra que, as como

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la temperatura terica de 721 C es fija, las otras dependen de la velocidad decalentamiento o enfriamiento.

Simbologa:

= Ferrita.

= Austenita.= Fierro.cm = Cementita.L = Lquido.

T[C]

% C

723 C

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Tipos de Acero y sus Metalografas de Segn a la Forma deObtencin

I. Acero con 0,05 % C

a) Hierro laminado en caliente de aproximadamente un 0,05% C.

Este es un acero con un contenido muy pequeo de carbono (0.05%) por loque entrara dentro del grupo de los aceros hipoeutectoides (0.025 < %C