Diagrama de fases de hierro y carbono: definición, fases y aplicaciones

El diagrama de fases de hierro y carbono es muy importante en la ciencia de los materiales. Muestra cómo las diferentes temperaturas y cantidades de carbono modifican las fases del hierro y sus aleaciones. Cuando los ingenieros obtienen este diagrama, pueden mejorar aún más el acero, lo que resulta de gran utilidad en muchas áreas, como la construcción de objetos o el vuelo de aviones.

Fig. 1: Diagrama de fases Fe-C

¿Qué es el diagrama de fases hierro-carbono?

Este diagrama es un gráfico que nos ayuda a ver cómo la temperatura y los niveles de carbono interactúan con el hierro y sus aleaciones. Es muy útil en metalurgia porque puede predecir qué tipo de microestructura se obtendrá en el acero o el hierro fundido.

¿Cuál es la fase más dura en el diagrama hierro-carbono?

Ahora bien, la martensita es la fase más resistente del diagrama de fases de hierro y carbono. Este material resistente se forma cuando la austenita se enfría muy rápido. Cuando se enfría rápidamente, el carbono no puede escapar de la estructura del hierro. Por lo tanto, se obtiene una solución sólida que es muy dura y resistente.

¿Por qué el diagrama de fases hierro-carbono llega sólo al 6.7% de carbono?

Existe un límite en la cantidad de carbono que puede haber en el diagrama de fases de hierro y carbono: 6.67 % como máximo. Esto se debe a que, en ese nivel, se forma cementita (Fe₃C). Si hay más carbono que esto, los materiales se vuelven frágiles y no son adecuados para la ingeniería.

Fases, límites de fase, punto eutéctico

Fases

Parte homogénea y diferenciada del sistema. Tiene propiedades diferentes a las de otras partes del sistema.

Límites de fase

Las regiones donde se produce la transformación de fase se conocen como límites de fase. Los límites comunes que debemos mencionar son la línea A1, la línea A3 y la línea ACM.

Punto eutéctico

Este punto se encuentra en el diagrama Fe-C y significa la conversión de la fase líquida en dos fases sólidas. Esta transformación se produce a 1147 °C con 4.3 % de C.

Por qué los diagramas de fases son esenciales en el diseño de aleaciones

Estos diagramas son de gran importancia en su aplicación diaria y le ayudan a determinar la composición exacta, las propiedades y los cambios microestructurales requeridos en su aplicación.

Estructuras cristalinas en el hierro

A continuación se muestran las principales estructuras cristalinas que se encuentran en el diagrama de fases Fe-C:

α-ferrita

En el hierro alfa se encuentra una estructura BCC con un contenido máximo de carbono de hasta el 0.02 %. Además, si se requieren buenas propiedades magnéticas en la aplicación, esta fase desempeña un papel fundamental en ese aspecto.

γ-Austenita

En esta fase, encontrará una estructura FCC con un contenido máximo de carbono de hasta 2.14 %. Además, si su aplicación exige algún cambio en las propiedades de resistencia, esta fase es importante para llevar a cabo varios procesos de tratamiento térmico.

δ-ferrita

Encontrará esta fase a una temperatura elevada, que ronda los 1390 °C, y consta de una estructura BCC. Esta fase le resultará favorable en aplicaciones que requieran estabilidad a altas temperaturas.

Cementita (Fe₃C)

Esta es la fase más dura de este diagrama de fases, con un contenido máximo de C de hasta 6.67 %. Además, le resultará útil en aplicaciones que requieran acero de alta resistencia.

Fase líquida (solución Fe-C)

Esta fase ayuda al fabricante a ejecutar procesos de fundición y encontrará esta fase a una temperatura elevada aproximadamente alrededor de 1530 °C.

¿Cuáles son las cinco fases sólidas en un diagrama de hierro-carbono?

A continuación se muestran las cinco fases que encontrará en este diagrama de fases:

• Ferrito
• Austenita
• cementita
• Ferrita delta
• Perlita

Características de cada fase

La siguiente tabla le proporciona las características importantes de cada fase:

Tabla 1: Características de las fases

Rangos de temperatura y estabilidad de cada fase

A continuación se muestran las fases importantes con su rango de temperatura y estabilidad:

α-Ferrita : Esta fase existe desde la temperatura ambiente hasta casi 910 °C y se observa su estado estable por debajo de 727 °C con bajo C.

γ-Austenita : Esta fase existe desde 727 hasta casi 1147 °C y observará su condición estable por encima de 727 °C con alto C.

Cementita : Para esta fase, encontrará que su rango de temperatura es inferior a 1147 °C y ciertamente es estable con un alto contenido de C en su composición.

Ferrita δ : La formación de esta fase se produce entre 1390 y 1538 °C y favorece la estabilidad a temperaturas elevadas.

Perlita : Observará la estabilidad de esta fase en la composición eutectoide. Además, su formación se produce a 723 °C.

Principales reacciones en el diagrama de fases de hierro y carbono

Se producen las siguientes reacciones que se mencionan a continuación:

Reacción eutectoide

A continuación se muestra la reacción eutectoide que significa la conversión de una fase sólida en otras dos fases sólidas.

Reacción eutéctica

A continuación se muestra la reacción eutéctica que significa la conversión de la fase líquida en otras dos fases sólidas.

Reacción peritéctica

Observará la siguiente reacción a una temperatura elevada de aproximadamente 1498 °C , que se produce por la reacción de una fase sólida y una fase líquida, dando como resultado austenita.

Límites de fase y puntos críticos

A continuación se muestra una breve descripción del límite de fase y los puntos críticos importantes:

Comprensión de los puntos eutéctico y eutectoidal

Punto eutéctico:

• Se produce a 4.3% C y una temperatura de 1147°C.
• Transformación del líquido en γ y Fe₃
• Importante en la producción de hierro fundido.

Punto eutectoide :

• Se produce a 0.76% C y una temperatura de 727°C.
• Transformación de γ en α y Fe₃
• Le proporciona perlita, responsable de una combinación de fuerza y ​​dureza.

Temperaturas críticas en aleaciones de hierro y carbono

Tabla 2: Temperaturas críticas

Regla de la palanca y análisis de la composición en los límites

Una herramienta para el cálculo matemático que le proporciona la proporción de fases (fracción de masa) dentro de un rango específico de temperatura, así como la composición.

Campos de fase y regiones de estabilidad

Los siguientes detalles le brindan un breve análisis de los campos de fase y la región de estabilidad:

Interpretación de las regiones de estabilidad para las fases α, γ y δ

Para la α-ferrita, la fase existe desde temperatura ambiente hasta casi 910 °C y observará su condición estable por debajo de 727 °C con baja. Además, la fase γ-austenita existe desde 727 hasta casi 1147 °C y observará su condición estable por encima de 727 °C con alta C. Finalmente, encontrará la formación de la fase δ entre 1390-1538 °C y favorecerá la estabilidad a temperaturas elevadas.

Implicaciones para el tratamiento térmico del acero

Si comprende la región de estabilidad de manera eficaz, podrá optimizar el tratamiento térmico. Por lo tanto, es fundamental para el control de la transformación de fases, el desarrollo de la microestructura y la longevidad del material.

Clasificación de los aceros por contenido de carbono

La clasificación principal del acero se da a continuación:

Aceros hipoeutectoides e hipereutectoides

El acero hipoeutectoide le ofrece una buena ductilidad junto con tenacidad en sus aplicaciones y se encuentra en este acero un contenido de C de menos del 0.76 %. Por otro lado, el acero hipereutectoide le ofrece una buena dureza al mismo tiempo que compensa la ductilidad y tiene más del 0.76 % de C.

Papel en el tratamiento térmico y la personalización de aleaciones

Este diagrama de fases le ofrece numerosos conocimientos, especialmente en el tratamiento térmico y la personalización de la aleación.

Predicción de propiedades mecánicas mediante análisis de fases

Las características clave que le ayudan a predecir las propiedades mecánicas a través del análisis de fases son:

• Control de cambios microestructurales
• Buen conocimiento de las temperaturas críticas
• Personalización de las propiedades de la aleación

Tipos de aplicaciones del acero

Tabla 2: Tipos de acero y aplicaciones

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