Clase 8 de materiales

1. ALEACIONES PARA INGENIERÍA 1
PRODUCCIÓN DEL HIERRO Y EL ACERO
Dr. Ingº FORTUNATO ALVA DAVILA
Lima, mayo del 2014

2. PRODUCCIÓN DEL HIERRO Y EL ACERO
Las aleaciones metálicas, como aceros al carbono
simple, aceros de aleación, aceros inoxidables, hierro
fundido y aleaciones de cobre, son utilizados para
fabricar diversos elementos de máquinas.
Por ejemplo:
Aceros al cromo: Engranajes de transmisión para automóviles.
Aceros al cromo –molibdeno: Engranajes de turbinas a gas
para aviones.
Aceros al níquel – molibdeno: Equipos de excavación de
tierra.
Algunas aleaciones de cobre: Fabricación de engranajes
para cargas pequeñas.

3. PRODUCCIÓN DEL HIERRO Y EL ACERO
Los metales y las aleaciones tienen muchas propiedades
que son útiles en ingeniería.
El hierro y sus aleaciones representan casi 90 % de
la producción mundial de metales, por su
satisfactoria combinación de la resistencia, tenacidad
y ductilidad, a costo relativamente bajo.
Las aleaciones a base de hierro se llaman aleaciones
ferrosas y las que se basan en otros metales se llaman
aleaciones no ferrosas.

4. PRODUCCIÓN DEL HIERRO Y EL ACERO
Tabla 4.1 Precios ($/lb) de algunos metales en mayo de
2001 y Mayo (2013)
Acero 0,27 (0,25)
Aluminio 0,67 (1,25)
Cobre 0,76 (3,82)
Magnesio 3,29
Zinc 0,45 (1,00)
Plomo 0,22 (1,14)
Níquel 2,74 (12,17)
Estaño 2,30 (14,15)
Titanio 3,85
Oro 3108 (24 320)
Plata 52,00 (608)
Platino (1 820)

5. PRODUCCIÓN DEL HIERRO Y EL ACERO
Producción de arrabio en un alto horno
La mayor parte del hierro se extrae de mineral de hierro
en altos hornos que son muy grandes (figura 4.1).
En el alto horno, el coque (carbono) actúa como
agente reductor para reducir óxidos de hierro
(principalmente Fe2O3) para producir arrabio en bruto,
el cual contiene casi 4%C, además de otras impurezas,
de acuerdo con la siguiente reacción típica:
Fe2O3 + 3CO → 2 Fe + 3CO2

6. PRODUCCIÓN DEL HIERRO Y EL ACERO
Figura 4.1 Corte transversal de la operación general de un alto horno moderno

7. PRODUCCIÓN DEL HIERRO Y EL ACERO
El arrabio del alto horno se transfiere usualmente en
estado líquido a un horno para fabricar acero.
Arrabio: Es el metal fundido, obtenido en el alto
horno por reducción del mineral de hierro.
El arrabio constituye la materia prima de la industria del
hierro y del acero.

8. PRODUCCIÓN DEL HIERRO Y EL ACERO
FABRICACION DE ACERO
Los aceros al carbono simples, son aleaciones de
hierro y carbono que contienen hasta 1,2%C
aproximadamente. Sin embargo, la mayoría de los
aceros contienen menos de 0,5%C.
La mayoría de los aceros se fabrican mediante la
oxidación del carbono y otras impurezas del arrabio.

9. PRODUCCIÓN DEL HIERRO Y EL ACERO
d) FABRICACION DE ACERO:
Para convertir el arrabio en acero, es el proceso
básico de oxígeno. El arrabio y hasta 30% de chatarra
de acero se introducen a un convertidor con
revestimiento refractario, en forma de barril, en el cual
se inserta una lanza de oxigeno (fig.4.2).
El oxígeno puro proveniente de la lanza reacciona con el
baño líquido para formar óxido de hierro. En seguida, el
carbono del acero reacciona con el óxido de hierro y
forma monóxido de carbono: FeO + C → Fe + CO

10. PRODUCCIÓN DEL HIERRO Y EL ACERO
FABRICACION DE ACERO:
Figura 4.2 Fabricación de acero en un horno básico de oxígeno

11. r U
PRODUCCIÓN DEL HIERRO Y EL ACERO
FABRICACION DE ACERO:
Inmediatamente antes que comience la reacción del oxígeno se
agregan cantidades controladas de fundentes (principalmente
cal) que forman escoria.
En este proceso, el contenido de carbono del acero se
puede reducir de manera rápida en casi 22 minutos, al
tiempo que se reduce la concentración de impurezas como
azufre y fósforo (figura 4.3).

12. - PRODUCCIÓN DEL HIERRO Y EL ACERO
FABRICACION DE ACERO:
Figura 4.3 Representación esquemática del proceso de refinación en
un recipiente forrado básico, soplado por arriba

13. PRODUCCIÓN DEL HIERRO Y EL ACERO
FABRICACION DE ACERO:
El acero derretido que viene del convertidor se vierte en
moldes estacionarios o se vacía continuamente en largas
planchas de las cuales se cortan periódicamente grandes
secciones.
Casi la mitad del acero en bruto se produce mediante el
reciclaje de acero viejo, como la chatarra de automóviles y
antiguos aparatos electrodomésticos.

14. PRODUCCIÓN DEL HIERRO Y EL ACERO
FABRICACIÓN DE ACERO:
Después de ser fundidos, los lingotes se calientan en un horno
y se laminan en caliente para formar planchas y
palanquillas.
Después las planchas se laminan en caliente y en frío para
formar láminas y placas de acero.
Las palanquillas billet, se laminan en caliente y en frío para
formar barras, varillas y alambre.
Las palanquillas bloom, se laminan en caliente y en frío para
crear perfiles como vigas en doble T y rieles. La fig.4.5 es
un diagrama de flujo de los pasos del proceso para convertir
las materias primas en importantes productos de acero.

15. PRODUCCIÓN DEL HIERRO Y EL ACERO
FABRICACIÓN DE ACERO:

16. PRODUCCIÓN DEL HIERRO Y EL ACERO
d
FABRICACIÓN DE ACERO:
Figura 4.5 Diagrama de flujo que muestra los principales pasos del proceso
necesario para convertir materias primas en las principales formas del producto.

17. PRODUCCIÓN DEL HIERRO Y EL ACERO
EL SISTEMA HIERRO-CARBONO
Aceros al carbono simples: Son las aleaciones de
hierro y carbono que contienen desde una cantidad
muy pequeña de carbono 0,03 C%) hasta 1,2 %C,
de 0,25 a 1,0% de manganeso y cantidades
menores de otros elementos. Sin embargo, los aceros
al carbono simples se consideran esencialmente como
aleaciones binarias de hierro y carbono.

18. PRODUCCIÓN DEL HIERRO Y EL ACERO
Diagrama de fases hierro- hierro- carburo
Las fases presentes en las aleaciones de hierro y carbono
enfriadas muy lentamente a diversas temperaturas y con
diferentes composiciones de hierro hasta llegar a 6,67 %C, se
muestran en el diagrama de fases Fe-Fe3C de la fig.4.6.
En ciertas condiciones, el Fe3C, que se llama cementita, se
puede descomponer en las fases de hierro y carbono
(grafito) que son más estables. Sin embargo, el Fe3C es muy
estable en la mayoría de las condiciones prácticas y, por lo
tanto, se considerará como una fase de equilibrio

19. PRODUCCIÓN DEL HIERRO Y EL ACERO
Fases sólidas en el diagrama de fases Fe-Fe3C
El diagrama Fe-Fe3C contiene las siguientes fases sólidas:
Ferritaa , austenita(g ), cementita (Fe3C) y
Ferritad .
Ferritaa. Esta fase es una solución sólida instersticial
de carbono en una estructura cristalina BCC. Se
indica en el diagrama de fases Fe-Fe3C, el carbono es
sólo ligeramente soluble en ferritaa y alcanza una
solubilidad de sólidos máxima de 0,02%C a 723°C.
La solubilidad del carbono en ferritaa disminuye a
0,005 C% a 0°C.

20. PRODUCCIÓN DEL HIERRO Y EL ACERO
Fases sólidas en el diagrama de fases Fe-Fe3C
Austenita(g).
Es la solución sólida intersticial del carbono en hierrog .
La austenita tiene una estructura cristalina FCC y una
solubilidad sólida mucho más alta para el carbono que
la ferrita a . La solubilidad sólida del carbono en la
austenita alcanza un máximo de 2,08% a 1148°C
y disminuye a 0,8 % a 723°C (fig.4.6).

21. PRODUCCIÓN DEL HIERRO Y EL ACERO
Fases sólidas en el diagrama de fases Fe-Fe3C
Figura 4.6 Diagrama de fases del carburo hierro-hierro

22. PRODUCCIÓN DEL HIERRO Y EL ACERO
Fases sólidas en el diagrama de fases Fe-Fe3C
Cementita(Fe3C). Es el compuesto intermetálico Fe3C.
La cementita tiene límites de solubilidad insignificantes y una
composición de 6,67% C y 93,3% Fe. La cementita es un
compuesto duro y frágil.
Ferritad . Es la solución sólida intersticial de carbono en
hierro d .
Tiene una estructura cristalina BCC igual que la ferritaa , pero
con una constante de red más alta. La solubilidad sólida
máxima del carbono en la ferrita d es de 0,09 C% a 1 465°C.

23. PRODUCCIÓN DEL HIERRO Y EL ACERO
REACCIONES INVARIANTES EN EL DIAGRAMA DE FASES Fe-Fe3C
Reacción peritéctica. En el punto de reacción
peritéctica, el líquido con 0,53%C se combina con
Ferritad de 0,09%C para formar Austenitag de
0,17%C. Esta reacción que ocurre a 1495ºC, puede
escribirse así:
1 495ºC
Líquido (0,53% C) + d (0,09% C) g (0,17% C)
LaFerritad , es una fase de alta temperatura y, por lo
tanto, no se encuentra en los aceros al carbono
simples a temperaturas más bajas.

24. PRODUCCIÓN DEL HIERRO Y EL ACERO
Reacción eutéctica.
En el punto de reacción eutéctica, el líquido de 4,3% C
forma austenitag de 2,08% C y el compuesto
intermetálico Fe3C (cementita), que contiene 6,67% C.
Esta reacción, que ocurre a 1148ºC, puede escribirse
así:
1 148ºC
Líquido (4,3% C) austenitag (2,08% C)+ Fe3C (6,67% C)
Esta reacción no se produce en los aceros al carbono
simples porque su contenido de carbono es demasiado
bajo.

25. PRODUCCIÓN DEL HIERRO Y EL ACERO
Reacción eutectoide.
En el punto de reacción eutectoide, la austenita sólida
de 0,8%C produce Ferritaa con 0,02%C y Fe3C
(cementita) que contiene 6,67%C. Esta reacción que
ocurre a 723% C, puede escribirse así:
723º C
austenitag (0,8% C) Ferritaa (0,02% C)+ Fe3C (6,67% C)
Esta reacción eutectoide, que se produce íntegramente
en estado sólido, es importante para algunos
tratamientos térmicos de aceros al carbono simples.

26. PRODUCCIÓN DEL HIERRO Y EL ACERO
Acero eutectoide
Es un acero al carbono simple que contiene 0,8%C,
cuando la austenita de esta composición es enfriada
lentamente a menor temperatura de la eutectoide se
forma una estructura totalmente eutectoide de ferrita
a y Fe3C.
Acero hipoeutectoide,
Es un acero al carbono simple que contiene menos de
0,8% C.
Acero hipereutectoide,
Es un acero que contiene más de 0,8%C.

27. ENFRIAMIENTO LENTO DE ACEROS AL CARBONO
SIMPLES
Aceros eutectoides al carbono simples.
Al enfriarse hasta la temperatura eutectoide o apenas
por debajo de ella, toda
la estructura de austenita
se transformará en una
estructura laminar de
placas alternadas de
ferritaa y cementita (Fe3C).
Figura 4.7 Transformación de un acero
eutectoide (0,8% C) bajo enfriamiento lento

28. ENFRIAMIENTO LENTO DE ACEROS AL CARBONO
SIMPLES
Aceros eutectoides al carbono simples
Apenas por abajo de la temperatura eutectoide, en el
punto b de la figura 4.7, la estructura laminar aparecerá como
se muestra en la figura 4.8.
Esta estructura eutoctoide
se llama perlita.
Figura 4.8 Microestructura de un acero
eutectoide enfriado lentamente

29. ENFRIAMIENTO LENTO DE ACEROS AL CARBONO
SIMPLES
Aceros al carbono simples hipoeutectoides.
Si una muestra de acero al carbono simple con 0,4% C
(acero tipo eutectoide) se calienta a casi 900°C
(punto a en la fig.4.9) durante suficiente tiempo, su
estructura llegará a ser de austenita homogénea.
Después, si ese acero se
enfría lentamente hasta la
temperatura b de la fig.4.9
(casi 775°C), la ferrita
proeutectoide sufre
una nucleación y
crece especialmente en
los límites del grano
austenítico.
Figura 4.9 Transformación de un acero al carbono simple
hipoeutectoide con 0,4% C mediante enfriamiento lento

30. ENFRIAMIENTO LENTO DE ACEROS AL CARBONO
SIMPLES
Aceros al carbono simples hipoeutectoides.
Si esta aleación se enfría lentamente desde la temperatura b
hasta c de la fig.4.9, la cantidad de ferrita proeutectoide
formada seguirá incrementándose hasta que casi 50% de la
austenita se haya transformado. Mientras el acero se enfría de
b a c, el contenido de carbono de la austenita restante se
incrementa de 0,4 a 0,8%C.
A 723°C, si persisten las condiciones
de enfriamiento lento, la austenita
restante se transformará
isotérmicamente en perlita
mediante la reacción eutectoide
austenita® ferrita + cementita.
Figura 4.9 Transformación de un acero al carbono simple
hipoeutectoide con 0,4% C mediante enfriamiento lento

31. ENFRIAMIENTO LENTO DE ACEROS AL CARBONO
SIMPLES
Aceros al carbono simples hipoeutectoides.
La ferrita a contenida en la perlita se llama ferrita
eutectoide para distinguirla de la ferrita proeutectoide
que se forma primero arriba de 723°C. La fig.4.10 es una
micrografía óptica de la estructura de un acero
hipoeutectoide de 0,35% C que se austenitizó y luego
se enfrió lentamente hasta la temperatura ambiente.
Figura 4.10 Microestructura de acero al carbono
simple hipoeutectoide con 0,35% C. El componente
blanco es ferrita proeutectoide; el componente oscuro
es perlita

32. ENFRIAMIENTO LENTO DE ACEROS AL CARBONO
SIMPLES
Aceros al carbono simples hipereutectoides.
Si una muestra de acero al carbono simple con 1,2%C
(acero hipereutectoide) es calentada a casi 950°C y se
mantiene así el suficiente tiempo, toda su estructura
llegará a estar formada esencialmente por austenita
(punto a de la fig.4.11).
Después, si ese acero se
enfría muy lentamente
hasta la temperatura b
la cementita proeutectoide
empezará a nuclearse y
crecerá principalmente
en los límites del grano
de la austenita.
Fig 4.11 Transformación por enfriamiento lento de un acero
al carbono simple hipereutectoide con 1,2% de C.

33. ENFRIAMIENTO LENTO DE ACEROS AL CARBONO
SIMPLES
Aceros al carbono simples hipereutectoides.
Si se sigue enfriando lentamente hasta llegar al punto
c de la figura 4.11, el cual se encuentra apenas arriba de
los 723°C, se producirá más cementita
protoeutectoide lo que sucederá en las fronteras de
grano de la austenita.
Si las condiciones
próximas al equilibrio
se mantienen mediante
enfriamiento lento, el
contenido general de
carbono de la austenita
restante en la aleación
cambiará de 1,2 a 0,8% C.
Figura 4.11 Transformación por enfriamiento lento de un
acero al carbono simple hipereutectoide con 1,2% de C.

34. ENFRIAMIENTO LENTO DE ACEROS AL CARBONO
SIMPLES
Aceros al carbono simples hipereutectoides
Si el enfriamiento lento continúa hasta 723°C o
ligeramente por debajo, la austenita restante se
transformará en perlita por la reacción eutectoide,
según se indica en el punto d de la fig.4.11.
La cementita formada por la
reacción eutectoide se llama
cementita eutectoide
para distinguirla de la
cementita proeutectoide
que se forma a temperaturas
arriba de los 723°C.
Figura 4.11 Transformación por enfriamiento lento de un acero
al carbono simple hipereutectoide con 1,2% de C.

35. Definiciones importantes
Austenita (Fase g en un diagrama de fases de Fe - Fe3C):
solución sólida intersticial de carbono en hierro FCC; la
máxima solubilidad sólida del carbono en austenita es
2,0% C.
Ferrita a (Fase a en un diagrama de fases de Fe-Fe3C):
solución sólida intersticial de carbono en hierro con
estructura cúbica BCC; la máxima solubilidad sólida del
carbono en hierro es 0,02%C.
Cementita: Compuesto intermetálico Fe3C; sustancia
dura y quebradiza.
Perlita: Mezcla de fases de ferrita a y cementita Fe3C
en placas paralelas (estructura laminar) producida por
la descomposición eutectoide de la austenita.

36. Definiciones importantes
Ferrita a eutectoide:Ferrita a que se forma durante la
descomposición eutectoide de la austenita; la ferritaa
contenida en la perlita.
Cementita eutectoide (Fe3C): la cementita que se
forma durante la descomposición eutectoide de la
austenita; la cementita contenida en la perlita.
Eutectoide (acero al carbono simple): acero con
0,8%C.
Hipoeutectoide(acero al carbono simple):acero con
menos de 0,8%C.
Hipereutectoide(acero al carbono simple); acero entre
0,8 y 2,0%C