Este documento describe los efectos de la alotropía del hierro. Explica que el hierro existe en tres formas alotrópicas (δ, γ, α) dependiendo de la temperatura. Describe las características de las estructuras que se forman durante el enfriamiento lento de aleaciones hierro-carbono, incluyendo ferrita, austenita y cementita. El objetivo es observar experimentalmente cómo la composición de carbono afecta las estructuras que se forman durante el enfriamiento brusco de probetas de hierro.

1. YURILUZ VEGA DELGADO
EFECTOS DE LA
ALOTROPIA DEL
HIERRO

2. Universidad Nacional de San Antonio Abad del Cusco
Facultad de Ingeniería Geológica, Minas y Metalúrgica
Escuela Profesional de Ingeniería Metalúrgica
Departamento Académico de Ingeniería Metalúrgica
Asignatura: Tratamientos térmicos y termoquímicos
 Docente: Ing. Barrios Ruiz Guillermo
 Semestre académico: 2017-II
 Presentado por: Vega Delgado, Yuriluz
 Código: 14109
Noviembre – 2017
Cusco – Perú
EFECTOS DE LA
ALOTROPIA DEL HIERRO

3. CONTENIDO
EFECTOS DE LA ALOTROPIA DEL HIERRO .....................................................................4
1. OBJETIVO .........................................................................................................................4
2. MARCO TEORICO ...........................................................................................................4
2.1. ALOTROPIA O POLIMORFISMO...............................................................................4
2.2. HIERRO..........................................................................................................................5
2.3. CARACTERISTICAS DE LAS ESTRUCTURAS QUE SE FORMAN EN UN
ENFRIAMIENTO LENTO DE LAS ALEACIONES HIERRO CARBONO ..........................7
2.3.1. Ferrita ..........................................................................................................................7
2.3.2. Austenita......................................................................................................................8
2.3.3. Cementita ....................................................................................................................8
2.3.4. Perlita ..........................................................................................................................9
2.3.5. Ledeburita..................................................................................................................10
2.4. Conductividad térmica ..................................................................................................10
2.5. Pirómetro.......................................................................................................................12
3. MATERIALES Y EQUIPOS ...........................................................................................13
4. PROCEDIMIENTO..........................................................................................................14
5. ANÁLISIS DE RESULTADOS.......................................................................................15
6. CONCLUSIONES............................................................................................................17
7. RECOMENDACIONES...................................................................................................18
ANEXOS .................................................................................................................................19

4. VEGA DELGADO 4
1. OBJETIVO
 Observar y describir el efecto dela alotropía del hierro, mediante practicas
experimentales de enfriamientos brusco en probetas de distinta composición de
carbono
 Desarrollar experimentalmente el efecto de la alotropía del hierro
2. MARCO TEORICO
2.1. ALOTROPIA O POLIMORFISMO
El polimorfismo o alotropía es el fenómeno por el cual muchos elementos y compuestos existen
en más de una estructura cristalina bajo diferentes condiciones de temperatura y presión.
Muchos metales de importancia industrial como el hierro, el titanio y el níquel sufren
transformaciones alotrópicas a elevadas temperaturas a presión atmosférica.
El concepto de alotropía fue propuesto originalmente en 1841 por el químico sueco Jöns Jacob
Berzelius (1779-1848) y se define como la capacidad que poseen algunos materiales para
existir en más de una forma o estructura cristalina en la misma fase o estado de la materia.
La transformación de una variedad alotrópica del metal en otra, va acompañada de una
absorción de calor al calentarse, y por un desprendimiento de calor latente al enfriarse,
verificándose estos procesos a temperatura constante y, solo se modifica la temperatura, cuando
hubo un cambio total de fase.
Lo mismo sucede con el agua: cuando la tenemos en forma de hielo a 0 ° C y le damos calor
lentamente, veremos que la temperatura del hielo no aumenta y en lugar de eso cambia de fase
al derretirse; sólo sigue aumentando la temperatura después de que se derritió todo el hielo
(cambio total de fase). También, cuando le quitamos calor al agua a punto de solidificar a cero
grados centígrados, veremos que no baja su temperatura, sino que empieza a formar hielo, y
sólo seguirá bajando la temperatura cuando toda haya cambiado a hielo.
Para el caso del hierro, se ve en la curva térmica de transformación en coordenadas
temperatura- tiempo del artículo siguiente. En esta curva se observa que, en cada

5. VEGA DELGADO 5
transformación, durante un cierto tiempo no cambia la temperatura; a estas partes de la curva
se les llama "puntos críticos".
Por ejemplo, en la imagen se muestra la curva de enfriamiento del hierro puro. Nótese las líneas
isotermas correspondientes a las temperaturas de transformación alotrópica.
- En el intervalo entre los 1535 y 1390 °C el hierro tiene la red cúbica centrada en el
cuerpo y esta fase alotrópica recibe el nombre de hierro δ ( Fe δ ).
- En el intervalo entre 1390 y 910 ° C la estructura pasa a ser cúbica centrada en las caras
(Fe γ).
- Finalmente por debajo de 910 °C la red pasa a ser cúbica centrada en el cuerpo (Fe α).
Fuente: http://www.monografias.com/trabajos70/formas-alotrpicas-hierro-combinaciones-carbono/formas -
alotrpicas-hierro-combinaciones-carbono2.shtml#anlisisdea
2.2. HIERRO
Elemento químico, símbolo Fe, número atómico 26 y peso atómico 55.847. El hierro es el
cuarto elemento más abundante en la corteza terrestre (5%). Es un metal maleable, tenaz, de

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color gres plateado y magnético. Los cuatro isótopos estables, que se encuentran en la
naturaleza, tienen las masas 54, 56, 57 y 58. Los dos minerales principales son la hematita,
Fe2O3, y la limonita, Fe2O3.3H2O. Las piritas, FeS2, y la cromita, Fe(CrO2)2, se explotan
como minerales de azufre y de cromo, respectivamente.
Fuente: https://sectorminero.wordpress.com/category/hierro/
El hierro tiene a diferencia del agua tres fases sólidas separadas y distintas: hierro alfa, hierro
gamma y hierro delta. En el diagrama se observan tres puntos triples en los que coexisten tres
fases diferentes: (1) líquido, vapor y Fe δ; (2) vapor, Fe δ y Fe γ; y (3) vapor, Fe γ y Fe α.
Para una presión constante de 1 atm, el hierro pasa de la fase líquida a la fase de Fe δ a la
temperatura de fusión de 1.539°C. Si continua el enfriamiento de la muestra y a 1.394°C un
segundo cambio de fase producirá la transformación de la forma cristalina del Fe δ a Fe γ. A

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910°C se produce el cambio de fase a Fe α que se mantendrá hasta llegar a temperatura
ambiente.
Fuente: Diagrama de equilibrio de fases para el hierro puro. http://cosmolinux.no-
ip.org/uned/unedcurset22.html
2.3. CARACTERISTICAS DE LAS ESTRUCTURAS QUE SE FORMAN EN UN
ENFRIAMIENTO LENTO DE LAS ALEACIONES HIERRO CARBONO
2.3.1.Ferrita
De acuerdo con lo explicado líneas arriba, la solución sólida intersticial de carbono en el
hierro se llama ferrita. El hierro casi no disuelve carbono, la solubilidad máxima de carbono
en el hierro es de 0.025% a una temperatura de 723º C y de 0.0025% a 20º C. La solubilidad
del carbono en el hierro d es de 0.1% a 1490º C. La ferrita d es estable únicamente a
temperaturas muy elevadas y no tiene significado práctico en la ingeniería.
La ferrita es la estructura mas blanda y dúctil de las aleaciones hierro- carbono, es magnética
desde la temperatura ambiente hasta 768º C. Las propiedades promedio son: resistencia a la
rotura de 28 Kg/mm2, elongación 40% en 2 pulg., de longitud, dureza 90 Brinell, a
continuación, figura 4, se presenta la red cristalina de la ferrita En la figura 5, se presenta el
empaquetamiento de átomos en la ferrita, en forma de hierro a (no se muestran los átomos de
carbono). Al microscopio los granos de ferrita se observan como a continuación, figura 6.
Fuente: http://www.monografias.com/trabajos70/formas-alotrpicas-hierro-combinaciones-carbono/formas-
alotrpicas-hierro-combinaciones-carbono2.shtml#anlisisdea

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2.3.2.Austenita
La solución sólida intersticial del carbono en el hierro gama se llama austenita. La austenita
posee buena ductilidad y por lo tanto buena formabilidad. Esta estructura tiene una
solubilidad del carbono de hasta 2.11%C a 1148º C. Gracias a que la estructura cúbica
centrada en el cuerpo (f. c .c., por sus siglas en inglés) tiene posiciones intersticiales más
amplias que la ferrita, se facilita que se alojen los átomos de carbono y otros como níquel y
manganeso, lo que le imparte varias propiedades al acero. Generalmente la austenita no es
estable a la temperatura ambiente. Las propiedades promedio son: resistencia a la rotura de
100 Kg/mm2; elongación 10% en 2 pulg.; dureza, de 300 Brinell aproximadamente; y
tenacidad alta. No es magnética.
Fuente: http://www.monografias.com/trabajos70/formas-alotrpicas-hierro-combinaciones-carbono/formas-
alotrpicas-hierro-combinaciones-carbono2.shtml#anlisisdea
2.3.3.Cementita
Como se había mencionado, el hierro con el carbono forma también una combinación
química, el carburo de hierro Fe3 C, llamada cementita. El contenido de carbono en el
cementita es de 6.67%.
El cementita tiene una red cristalina ortorrómbica compleja. La temperatura de fusión del
cementita no se ha podido establecer con exactitud y se considera aproximadamente igual a
1550º C. A una temperatura inferior a los 217º C el cementita es ferromagnética. El cementita
(del latín cementum que significa "astillas de piedra"), también se conoce como carburo. Este
carburo no debe ser confundido con otros carburos que se utilizan en dados, herramientas de
corte y abrasivos, como el carburo de tungsteno, el carburo de titanio y el carburo de silicio.
El cementita es un compuesto intersticial muy duro y frágil, con una dureza de 700 Brinell y
tiene una influencia significativa en las propiedades de los aceros, tiene una baja resistencia a

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la tensión, pero tiene una alta resistencia a la compresión, es la estructura más dura que se
presenta en las aleaciones hierro- carbono. En las micrografías, el cementita se presenta en
forma de una red clara alrededor de los granos de la otra fase sólida que exista en la aleación.
Fuente: http://www.monografias.com/trabajos70/formas-alotrpicas-hierro-combinaciones-carbono/formas-
alotrpicas-hierro-combinaciones-carbono2.shtml#anlisisdea
2.3.4.Perlita
La perlita es una mezcla mecánica de ferrita y cementita, que contiene 0.8% de carbono, se
presenta en el área de los aceros ( los aceros tiene un porcentaje de carbono que va de 0 a
2.14 %)
En todas las aleaciones hierro carbono, debajo de 727ºC a un enfriamiento muy lento, se lleva
a cabo la reacción eutectoide (una reacción eutectoide es aquella en la que al enfriarse una
fase sólida se transforma en dos fases sólidas nuevas), en la cual, la austenita( una fase sólida)
se descompone en una mezcla mecánica muy fina de láminas estratificadas de ferrita (fase
sólida nueva) y cementita ( la otra fase sólida nuieva), llamada perlita, la micrografia de la
perlita se presenta en la siguiente figura 10 y como se ve tiene tipo huella dactilar. Las
propiedades promedio son: resistencia a la tensión, 80 Kg/mm2; elongación, 20% en 2 pulg;
dureza de 260 Brinell.
Fuente: http://www.monografias.com/trabajos70/formas-alotrpicas-hierro-combinaciones-carbono/formas-
alotrpicas-hierro-combinaciones-carbono2.shtml#anlisisdea

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2.3.5.Ledeburita
Mezcla eutéctica de austenita y cementita ( la reacción eutéctica se presenta a temperatura
constante al enfriar muy lentamente un líquido, obteniéndose entonces dos sólidos puros
distintos, estos sólidos solidifican alternativamente, resultando una mezcla muy fina
generalmente visible solo al microscopio), contiene 4.3% de carbono, y se lleva a cabo a
1147ºC. Su vista al microscopio es similar al de la perlita. Se presenta en el área de las
fundiciones en el rango de porcentajes de carbono de 2.14% a 6.67%C
2.4. Conductividad térmica
La conductividad térmica es una propiedad física de los materiales que mide la capacidad de
conducción de calor. En otras palabras, la conductividad térmica es también la capacidad de
una sustancia de transferir la energía cinética de sus moléculas a otras adyacentes o a
sustancias con las que está en contacto. En el Sistema Internacional de Unidades la
conductividad térmica se mide en W/(K·m) (equivalente a J/(m·s·K) )
La conductividad térmica es una magnitud intensiva. Su magnitud inversa es la resistividad
térmica, que es la capacidad de los materiales para oponerse al paso del calor.
Factores que influyen en la conductividad térmica
a) Temperatura
El efecto de la temperatura en la conductividad térmica es diferente para metales y para no
metales. En metales la conductividad es primariamente debido a electrones libres. De acuerdo
con la ley Wiedemann-Franz la conductividad térmica de los metales es aproximadamente
proporcional al producto de la temperatura absoluta expresada en Kelvins, multiplicada por la
conductividad eléctrica. En metales puros la resistividad eléctrica frecuentemente se
incrementa de manera proporcional a la temperatura, y por tanto la conductividad térmica
permanece aproximadamente constante. En aleaciones el cambio de conductividad eléctrica
es usualmente menor y por tanto la conductividad térmica se incrementa con la temperatura,
frecuentemente de manera proporcional.
Por otro lado, la conductividad en los no metales se debe fundamentalmente a las vibraciones
de la red (ver intercambio de fonones). Excepto para cristales de calidad alta a bajas
temperaturas, el camino libre medio de un fonón no se reduce de manera significativa para

11. VEGA DELGADO 11
altas temperaturas. Por tanto la conductividad de los no metales es aproximadamente
constante. Así la conductividad térmica es baja siempre y cuando la temperatura no sea
demasiado baja. A bajas temperaturas por debajo de la temperatura de Debye la
conductividad decrece justo como lo hace la capacidad calorífica.
b) Cambios de fase del material
Cuando un material sufre cambios de fase de sólido a líquido o de líquido a gas, la
conductividad térmica puede cambiar. Un ejemplo de esto sería el cambio en conductividad
térmica que ocurre cuando el hielo (conductividad térmica de 2,18 W/(m·K) a 0 °C) se derrite
formando agua líquida (conductividad térmica de 0,90 W/(m·K) a 0 °C).
c) Estructura del material
Las substancias cristalinas puras pueden exhibir diferentes conductividades térmicas en
diferentes direcciones del cristal, debido a diferencias en la dispersión de fonones según
diferentes direcciones en la red cristalina. El zafiro es un ejemplo notable de conductividad
térmica según la dirección, con una conductividad de 35 W/(m·K) a lo largo del eje-c, y 32
W/(m·K) a lo largo del eje a.1
d) Conductividad eléctrica
En metales, la conductividad térmica, varía muy a la par con la conductividad eléctrica de
acuerdo con la ley de Wiedemann-Franz ya que los electrones de valencia que se mueven
libremente transportan no solo corriente eléctrica sino también energía calórica. Sin embargo,
la correlación general entre conductancia eléctrica y térmica no se mantiene para otros
materiales, debido a la importancia de la transmisión por fotones en no metales.
e) Convección
En sistemas de gases de escape se utilizan recubrimientos cerámicos con baja conductividad
térmica para prevenir que el calor alcance componentes sensibles
El aire y otros gases generalmente son buenos aislantes, en la ausencia de convección, por lo
tanto, muchos materiales aislantes funcionan simplemente bajo el principio de que un gran
número de huecos llenos de gas prevendrán la convección a gran escala. Ejemplos de esto
incluyen el poliestireno expandido y extruido (popularmente conocido como "styrofoam") y
el aerogel de sílice. Aislantes naturales y biológicos como el pelaje y las plumas alcanzan

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efectos similares inhibiendo dramáticamente la convección del aire o el agua cerca de la piel
del animal.
Fuente. https://www.google.com.pe/search?q=conductividad+termica&sour
2.5. Pirómetro
Un pirómetro es un dispositivo capaz de medir la temperatura de una sustancia sin necesidad
de estar en contacto con ella. El término se suele aplicar a aquellos instrumentos capaces de
medir temperaturas superiores a los 600 grados celsius. El rango de temperatura de un
pirómetro se encuentra entre -50 grados celsius hasta +4000 grados celsius. Una aplicación
típica es la medida de la temperatura de metales incandescentes en molinos de acero o
fundiciones.

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3. MATERIALES Y EQUIPOS
-5 probetas de acero de
distintas composiciones
de carbón
-Fragua
-Tenazas -Fosforo
-Cámara fotográfica -Pirómetro
-Carbón -Agua

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4. PROCEDIMIENTO
Se realiza el siguiente procedimiento experimental:
1.Repetir el procedimiento anterior hasta detectar fisuras
1.Se ponen las probetas a la fragua las probetas a 1000°C y
enfriar bruscamente en agua
1.Se enciende la fragua y se calienta
1.Se utilizan 5 probetas dos aceoros lisos y un acero
corrugado y dos muelles de diferentes espesores.

15. VEGA DELGADO 15
5. ANÁLISIS DE RESULTADOS
1. En el primer enfriamiento no se observa ninguna fisura ni grieta, sin embargo su
textura es algo áspera. Primero no hay fisuras tan solo se acumulan tensiones
internas.
2. Para el segundo enfriamiento brusco se observa fisuras en algunas probetas. Se
obtienen las siguientes imágenes después:
Junto al acero corrugado se observa la fisura:
Sin embargo para otra probeta de distinta composición (tuerca):
Muelles:
se observa
fisura
Fisura algo
pronunciada

16. VEGA DELGADO 16
El acero liso también está intacto:
3. Para el tercero enfriamiento brusco se observa fisuras en algunas probetas. Se
obtienen las siguientes imágenes después:
Tuerca: su textura esta algo aspera
perono a sufrido ninguna fisura
niaun golpeandolo
Probeta
de acero
liso
Muelle se observauna fisuraprofunda;
aqui se podria decir que al enfriar
bruscamente se dioun efectomuy
gratesco de la alotropia del hierro

17. VEGA DELGADO 17
Por su conductividad térmica de estos aceros tenderán hacer afectados por la cambio de
temperatura:
Probeta %C Propiedades
Muelle 0.4-0.6 Mayor dureza Menor
tenacidad
Corrugado 0.37 Media dureza Media
tenacidad
Tienen mayor % de carbono en comparación con los otros por lo que su conductividad
térmica será menor, tal que con un cambio de temperatura menor por la alotropía del hierro
existe fisuras y deformaciones localizadas.
Las otras probetas de tuerca y liso; es posible que tengan micro fisura o interiormente hayan
sufrido alguna imperfección, sin embargo, no se observa a simple vista a pesar de que
después de haberlas sacado se las hayan impactado a espacios duros.
Se puede aseverar también que estas probetas son más duras pero frágiles, ya que
prácticamente han sufrido un tratamiento térmico como es la cementación indirecta.
Las probetas fisuradas tienen microconstituyentes de martensita.
6. CONCLUSIONES
Se concluye que se:
Probeta de acero
con fisura profunda

18. VEGA DELGADO 18
Observo y describió el efecto dela alotropía del hierro, mediante practicas experimentales de
enfriamientos brusco en probetas de distinta composición de carbono.
Se desarrollo experimental el efecto de la alotropía del hierro y como influye los
enfriamientos bruscos en la estructura cristalina de los aceros
7. RECOMENDACIONES
Para realizar la prueba tenemos que tener en cuenta cuales son las composiciones exactas de
las probetas usadas. Ya que sabremos en que región del diagrama de equilibrio hierro
carbono se encuentra
Podríamos tomar el tiempo y la temperatura exacta con el cual suceden los cambios
Sería necesario realizar más pruebas de este tipo para perfeccionar nuestra descripción sobre
fisuras y fracturas
BIBLLIOGRAFIA
- http://www.monografias.com/trabajos70/formas-alotrpicas-hierro-combinaciones-
carbono/formas-alotrpicas-hierro-combinaciones-carbono.shtml
- https://www.lenntech.es/periodica/elementos/fe.htm
- http://www.monografias.com/trabajos70/formas-alotrpicas-hierro-combinaciones-
carbono/formas-alotrpicas-hierro-combinaciones-carbono2.shtml#anlisisdea
- http://www.monografias.com/trabajos70/formas-alotrpicas-hierro-combinaciones-carbono/formas-
alotrpicas-hierro-combinaciones-carbono2.shtml#anlisisdea#ixzz4zY1q9iRU
- http://cosmolinux.no-ip.org/uned/unedcurset22.html
- https://es.wikipedia.org/wiki/Conductividad_t%C3%A9rmica

19. VEGA DELGADO 19
ANEXOS
Anexo 1.1 probetas que se usan en la prueba y sus defectos por la temperatura
Anexo.2. Experimentación y desarrollo del calentamiento de las probetas y su respectivo
enfriamiento brusco
Anexo.3. Calentamiento de la fragua