Diagrama Hierro Carbono - Presentación

1. Metalurgía
Alumno:
Carlos Rivero
27410669
Instituto Universitario de Tecnología
Antonio José de Sucre

2. El diagrama hierro carbono es un tipo de diagrama
de fases que representa las transformaciones que
sufren las aleaciones de hierro y carbono con la
temperatura, asumiendo que el calentamiento o
enfriamiento se realiza de forma muy lenta, de
modo que se alcanza el equilibrio termodinámico.
Este diagrama es de gran utilidad para conocer las
propiedades y el comportamiento de los diferentes
tipos de aceros y fundiciones, que son las
principales aleaciones ferrosas utilizadas en la
industria.

3. Una aleación es una mezcla homogénea de dos o
más elementos, al menos uno de los cuales es un
metal.
Se forman para mejorar las propiedades de los metales
puros, como la resistencia, la dureza, la ductilidad, la
conductividad, la corrosión, etc.
Las aleaciones de hierro son aquellas que contienen
como elemento principal el hierro, y como elemento
secundario el carbono, además de otros elementos en
menor proporción, como el manganeso, el silicio, el
fósforo, el azufre, el cromo, el níquel, el molibdeno, etc.

4. El hierro puro presenta alotropía, es decir, cambia la estructura
cristalina de sus átomos en función de la temperatura. Si
calentamos el hierro desde la temperatura ambiente,
encontramos las siguientes fases:
• Hasta los 911 °C, el hierro cristaliza en una estructura cúbica
centrada en el cuerpo (BCC) y recibe la denominación de
hierro alfa (α) o ferrita. Esta es una solución sólida intersticial
de carbono en hierro, que puede disolver hasta un 0,02% de
carbono a temperatura ambiente y hasta un 0,08% a 911 °C.
• Entre los 911 °C y los 1394 °C, el hierro cristaliza en una
estructura cúbica centrada en las caras (FCC) y recibe la
denominación de hierro gamma (γ) o austenita. Esta es una
solución sólida intersticial de carbono en hierro, que puede
disolver hasta un 2,11% de carbono a 1147 °C.

5. • Entre los 1394 °C y los 1538 °C, el hierro vuelve a cristalizar en una
estructura BCC y recibe la denominación de hierro delta (δ). Esta
es una solución sólida intersticial de carbono en hierro, que puede
disolver hasta un 0,09% de carbono a 1394 °C y hasta un 0,02% a
1538 °C.
• A partir de los 1538 °C, el hierro se funde y pasa al estado líquido
(L).
El carbono, por su parte, puede existir en dos formas alotrópicas: el
grafito y el diamante. El grafito es la forma más estable a temperatura
ambiente, y consiste en capas de átomos de carbono dispuestos en
hexágonos regulares. El diamante es la forma más estable a altas
presiones, y consiste en una red tridimensional de átomos de carbono
enlazados tetraédricamente. El carbono también puede combinarse
con el hierro y formar el carburo de hierro (Fe3C), que recibe el
nombre de cementita. La cementita es un compuesto intermetálico
muy duro y frágil, que tiene una estructura ortorrómbica.

6. El hierro puro tiene unas propiedades físicas y mecánicas
que lo hacen poco adecuado para la mayoría de las
aplicaciones industriales.
Algunas de estas propiedades son:
• Densidad: 7,86 g/cm3
• Punto de fusión: 1538 °C
• Punto de ebullición: 2862 °C
• Conductividad eléctrica: 9,93 x 10^6 S/m
• Conductividad térmica: 80,4 W/m·K
• Coeficiente de dilatación térmica: 11,8 x 10^-6 K^-1
• Módulo de elasticidad: 211 GPa
• Resistencia a la tracción: 200 MPa
• Dureza Brinell: 80 HB
• Tenacidad: 50 J/m2

7. Una aleación es una mezcla de dos o más
elementos, al menos uno de los cuales es un metal.
Las aleaciones pueden tener una microestructura
que consiste en soluciones sólidas, donde los
átomos secundarios se introducen como
sustituyentes o intersticiales en una red cristalina.
Una aleación también puede ser una mezcla de
fases metálicas (dos o más soluciones, formando
una microestructura de diferentes cristales dentro
del metal).
Las aleaciones de hierro son aquellas que
contienen hierro como elemento principal y otros
elementos en menor proporción. El elemento que
más influye en las propiedades de las aleaciones
de hierro es el carbono, que se puede encontrar en
distintas formas y concentraciones. Según el
porcentaje de carbono, se pueden distinguir los
siguientes tipos de aleaciones de hierro.

8. • Hierro: Es la aleación de hierro con menos de 0,008% de
carbono. Es prácticamente puro y tiene las mismas
propiedades que el hierro puro. Se utiliza para fines
electromagnéticos y como material de referencia.
• Acero: Es la aleación de hierro con entre 0,008% y 2,14%
de carbono. Es el tipo más común y versátil de aleación
de hierro, ya que se puede modificar mediante
tratamientos térmicos y mecánicos para obtener distintas
propiedades. Se utiliza para la fabricación de piezas
estructurales, herramientas, maquinaria, vehículos, etc.
• Fundición: Es la aleación de hierro con más de 2,14% de
carbono. Es más frágil y menos dúctil que el acero, pero
tiene mayor resistencia al desgaste y a la corrosión. Se
utiliza para la fabricación de piezas moldeadas, como
tuberías, válvulas, bloques de motor, etc.

9. El diagrama de equilibrio hierro-carburo de hierro (Fe-Fe3C) es
una representación gráfica de las fases presentes en una
aleación de hierro-carbono en función de la temperatura y la
composición. Se asume que el calentamiento o enfriamiento
de la aleación se realiza muy lentamente, de modo que se
alcanza el equilibrio termodinámico entre las fases.
Las coordenadas del diagrama son:
El eje horizontal representa la composición de la aleación,
expresada en porcentaje de carbono en peso. El rango va
desde 0% hasta 6,67%, que es el porcentaje de carbono del
carburo de hierro (Fe3C). Este compuesto es el único que se
forma entre el hierro y el carbono, y se denomina cementita. Se
considera que el carbono que no forma cementita se disuelve
en el hierro, formando soluciones sólidas intersticiales.
El eje vertical representa la temperatura, expresada en grados
Celsius. El rango va desde la temperatura ambiente hasta la
temperatura de fusión del hierro puro (1538 °C).

10. El diagrama se divide en varias zonas, que corresponden a las
distintas fases o combinaciones de fases que existen en la
aleación. Las zonas se separan por líneas que indican las
temperaturas críticas a las que se producen las
transformaciones de fase. Las zonas son las siguientes:
• Zona A: Corresponde a la fase de hierro α (ferrita), que es
una solución sólida intersticial de carbono en una estructura
cristalina BCC. La ferrita es una fase blanda, dúctil y poco
soluble en carbono.
• Zona B: Corresponde a la fase de hierro γ (austenita), que
es una solución sólida intersticial de carbono en una
estructura cristalina FCC. La austenita es una fase dura,
resistente y muy soluble en carbono.
• Zona C: Corresponde a la fase de hierro δ (delta), que es
una solución sólida intersticial de carbono en una estructura
cristalina BCC. La fase delta es similar a la fase alfa, pero
existe a temperaturas más altas.

11. • Zona D: Corresponde a la fase líquida, que es una solución líquida
de carbono en hierro. La solubilidad máxima de carbono en la
fase líquida es de 6,67% a 1538 °C, y disminuye al disminuir la
temperatura.
• Zona E: Corresponde a la fase de carburo de hierro (Fe3C), que
es un compuesto intermetálico de estructura ortorrómbica. La
cementita es una fase muy dura, frágil y resistente a la corrosión.
• Zona F: Corresponde a la mezcla de ferrita y cementita, que se
denomina perlita. La perlita es una microestructura laminar que se
forma por la transformación eutectoide de la austenita a 727 °C.
• Zona G: Corresponde a la mezcla de austenita y cementita, que
se denomina ledeburita. La ledeburita es una microestructura que
se forma por la transformación eutéctica de la fase líquida a 1147
°C.
• Zona H: Corresponde a la mezcla de fase delta y cementita, que
se denomina delta-ledeburita. La delta-ledeburita es una
microestructura que se forma por la transformación eutéctica de
la fase líquida a 1493 °C.
• Zona I: Corresponde a la mezcla de fase líquida y cementita, que
se denomina líquido-ledeburita. La líquido-ledeburita es una
microestructura que se forma por la coexistencia de la fase
líquida y la cementita a temperaturas superiores a 1493 °C.

12. Las ecuaciones isométricas son aquellas que expresan
la relación entre la composición de la aleación y la
composición de las fases que la constituyen, a una
temperatura constante.
Estas ecuaciones se pueden obtener aplicando la
regla de la palanca, que establece que el peso de una
fase es proporcional a la distancia entre la
composición de la aleación y la composición de la otra
fase, en el diagrama de equilibrio.

13. Instituto Universitario de
Tecnología Antonio José de Sucre