DIAGRAMA HIERRO _CARBONO

DIAGRAMA
HIERRO
CARBONO
ESPOCH
FACULTAD MECÁNICA
ESCUELA ING.
INDUSTRIAL
MATERIALES
TRABAJO
PREPARATORIO
GUILLERMO VERDEZOTO
GALO GUEVARA

El sistema de aleaciones binario más importante
es el hierro-carbono.
Diagrama de aleación hierro-carbono es un
diagrama de equilibrio en el que se representa el
comportamiento de la aleación de hierro y
carbono en función del porcentaje de carbono
contenido en la mezcla y de la temperatura,
composición química y presión atmosférica.
Industrialmente se convierte en una herramienta
para el ingeniero industrial para el manejo y
conocimiento delos materiales ferrosos como
aceros y hierros fundidos.
DIAGRAMA Fe - C

DIAGRAMA Fe - C
En la industria encontraremos los siguientes tipos
de materiales:
 80% Materiales Ferrosos
 10% Materiales no ferrosos
 10% Resto de materiales

MATERIALES FERROSOS
Llamaremos material ferroso a todo material que
en su composición contenga una proporción de
hierro.
La producción mundial de metales ferrosos es
más de veinte veces superior a la del resto de los
metales juntos. Esto es debido por un lado a su
abundancia y por otro a la gran cantidad y
variedad de productos que se pueden obtener
a partir del hierro.
Se divide en:
 Aceros
 Hierros fundidos
DIAGRAMA Fe - C

DIAGRAMA Fe - C
MATERIALES NO FERROSOS
Los no ferrosos son todos los metales y aleaciones que no
tienen en su composición química Hierro.
Se pueden clasificar según su densidad en:
PESADOS cuya densidad es igual o mayor de 5kg/dm cúbico .
Tales como: Estaño, cobre, cinc, plomo, níquel, wolframio y
cobalto.
LIGEROS cuya densidad está comprendida entre 2 y 5kg/dm
cúbico. Tales como: Aluminio y titanio.
ULTRALIGEROS cuya densidad es menor de 2kg/dm cúbico.
Tales como: magnesio y berilio.

RESTO DE MATERIALES
Cerámicos.- son sólidos, formados principalmente
por un metal y un no metal, y la unión entre los
átomos se da mediante iónico o covalente. Se
forman calentando el compuesto químico y luego
dejándolo enfriar.
Polímeros.- es un compuesto orgánico, que
puede ser de origen natural o sintético. Los
plásticos son ejemplos de polímeros.
Un material compuesto exhibe propiedades
combinadas de los componentes que lo forman.
Un ejemplo es el concreto armado, donde
tenemos el cemento (un cerámico) y varas de
acero (aleación metálica).
DIAGRAMA Fe - C

 El límite del diagrama corresponde a una proporción
de carbono del 6,67 % que es el de la cementita
pura. Las aleaciones hiero-carbono con carbono en
proporción superior al 6,67 %, lo contendrán en
forma de grafito y, por tanto, están excluidas de las
aleaciones ahora consideradas, que deben estar
formadas única y exclusivamente con carbono
combinado con el hierro en forma de carburo de
hierro.
 El punto C denominado eutéctico, correspondiente
a una proporción de carbono del 4,3 %, y de
carburo de hierro en total de 64,5 %. La aleación del
4,3 % de carbono es la de más bajo punto de fusión
(1.130°) (1.148º). Además, la totalidad de la masa de
la aleación funde o se solidifica a una sola
temperatura en lugar de a dos temperaturas, una de
principio y otra de fin del cambio de estado (fusión o
solidificación, como ocurre con las aleaciones de
contenido de carbono superior o inferior al 4,3 %).
DIAGRAMA Fe - C

Y así como con contenidos inferiores de carbono
entre el principio y el fin de la solidificación se va
precipitando austenita, y para aleaciones de
contenidos de carbono superiores al 4,3 % entre el
principio y el fin de la solidificación se precipitan
cristales de cementita, las aleaciones del 4,3 % de C
se solidifican formando un solo constituyente, que
también se denomina eutéctico y es la ledeburita,
formado, como se sabe, por el 52 % de cementita y el
48 % de austenita de 1,76 % (2,11%) de carbono a
1.130 (1.148) grados.
 El punto E marca la máxima solubilidad del carbono
en hierro gamma; es decir, que es el punto de
máximo contenido de carbono de la austenita, que,
como se recordará, es solución sólida de carbono
en hierro gamma. Este punto corresponde a un
contenido de carbono de 1,76% (2,11%).
DIAGRAMA Fe - C

Además, el punto de 1,76 % (2,11%) en el eje de
las abscisas divide las aleaciones de hierro-
carbono en dos clases de características muy
distintas: los aceros de contenido de carbono
inferior al, 1,76% (2,11%) hasta 0,03% (0,022%), y
las fundiciones de contenido de carbono
comprendido entre 1,76 (2,11) a 6,67 %.
 Los aceros son las aleaciones de hierro-
carbono que a partir de una temperatura
determinada, marcadas en el diagrama por las
líneas A3 (GS) (GP) Y Acm (SE) (PE), se
transforman íntegramente en austenita, y la
austenita, al enfriarla rápidamente, se
convierte en martensita.
DIAGRAMA Fe - C

 El punto S (P), denominado eutectoide, es análogo
al punto C, que denominábamos eutéctico. La
diferencia está en que en el punto eutéctico tiene
lugar un cambio de estado de líquido a sólido o de
sólido a líquido, y en el punto eutectoide se
produce solamente una transformación de la
constitución de la aleación, que es sólida lo mismo
a temperaturas inferiores que a temperaturas
superiores al punto eutectoide.
 La analogía, salvo esta diferencia, es total. Así
como el punto C (eutéctico) marcaba la
composición de la aleación que permanecía
líquida a más baja temperatura, también el punto S
(P) (eutectoide) marca la composición de la
austenita, que es estable a más baja temperatura.
Este porcentaje es de 0,89% (0,77%) de C, o
sea, 13,5% de carburo de hierro.
DIAGRAMA Fe - C

 Además, la totalidad de la masa de la austenita se
transforma íntegramente al pasar por el punto S (P)
(eutectoide) en perlita, que es el constituyente
eutectoide, igual que era la ledeburita el constituyente
eutéctico que se formaba al solidificarse la aleación en
el punto C (eutéctico). Para contenidos de carbono
superiores o inferiores al del punto S (P) (0,89 % de C)
(0,77% de C), la austenita va segregando un
constituyente nuevo hasta que, al llegar a la
temperatura de 723º (727º), la austenita alcanza la
composición eutectoide y se transforma íntegramente
en perlita. Para porcentajes de carbono superiores aI
0,89% (0,77%), la austenita, al enfriarse por debajo de la
línea Acm (SE) (PE), segrega cementita hasta llegar a los
723º (727º). Y para porcentajes de carbono inferiores al
0,89% (0,77%) de C, la austenita, al bajar en su
enfriamiento de temperaturas inferiores a las de la línea
A3 (GS) (GP), segrega ferrita hasta llegar a los 723º
(727º).
DIAGRAMA Fe - C

 Punto J (Y), cuyo porcentaje de carbono de 0,18 %
es el de la austenita, que permanece estable a la
más alta temperatura de 1.492°. Este punto se
denomina peritéctico, y puede considerarse como
un punto eutéctico al revés.
 El punto H (B), de 0,08 % de C, es el máximo
porcentaje que puede contener en solución sólida
el hierro delta.
 Y, por fin, el punto P (L), de 0,025 % (0,022%) de C,
que es el máximo porcentaje de carbono que
puede disolver la ferrita.
Se ha marcado también en el diagrama, en el eje de
las abscisas, un punto que corresponde a 0,03 %
(0,022%) de carbono, que es el mínimo que puede
contener el hierro para que se considere aleación
hierro-carbono. Por debajo de este porcentaje de
carbono se considera como hierro técnicamente
puro
DIAGRAMA Fe - C

En el eje de las ordenadas hay los siguientes puntos
críticos:
 Ao = 210° (230º), en el que tiene lugar el cambio
magnético de la cementita. Es decir, hasta 210°
(230º) la cementita es magnética, y por encima de
esta temperatura deja de ser magnética.
 A1 = 723° (727º), que es el límite de la perlita.
 A2 = 768°, que es la temperatura de cambio
magnético de la ferrita. Por encima de esta
temperatura, la ferrita deja de ser magnética.
 A3 = (línea SG) (GP), que es el límite de la ferrita. Este
punto crítico varía desde 723º (727º) a 910° (912º),
según el % de carbono.
 Acm = (línea SE) (PE), que es el límite de la
cementita. Este punto crítico varía entre 723° (727º) y
1.130° (1.148º).
DIAGRAMA Fe - C

 Línea EF = 1.130° (1.148º), que es el límite de la
ledeburita.
 La línea AHJECF (OBYECF) es la de temperaturas
de iniciación de la fusión al calentar o de
terminación de la solidificación al enfriar. Por
debajo de esta línea todo el metal está sólido.
 La línea ABCD (AZCD) es la de temperaturas de
fin de la fusión al calentar o de iniciación de la
solidificación al enfriar. Por encima de ella todo
el metal está en estado líquido. Entre esta línea y
la anterior existe una mezcla de líquido y sólido.
 Línea A4 = (línea HB) (BZ), que es el límite
superior de la austenita
DIAGRAMA Fe - C

CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES DE ACUERDO
AL DIAGRAMA Fe-C
Los aceros y fundiciones son aleaciones hierro-
carbono.
La clasificación de las aleaciones férreas según el
contenido en carbono comprende tres grandes
grupos:
Hierro cuando contiene menos del 0.008 % en
peso de C.
Acero cuando la aleación Fe-C tiene un
contenido en C mayor del 0.008 y menor del 2.11
% en peso.
Fundición cuando la aleación Fe-C tiene un
contenido en C superior al 2.1 %.
DIAGRAMA Fe - C

HIERROS
Otro aspecto importante es el que se refiere a la
máxima solubilidad de carbono en la red de hierro
(sólido) que se produce a 1148º C y es de 2.11% C.
HIERRO GAMA es el hierro entre la temperatura 1394º y
912º C y corresponde a la forma cristalina de cubo de
caras centradas. El hierro en esa forma cristalina tiene los
huecos más grandes en la red, pudiendo así acomodar
los átomos de carbono con distorsión no tan
pronunciada como es el caso de la forma cristalina
cubo de cuerpo centrado llamada HIERRO ALFA razón
por la cual el Feγ disuelve mayor cantidad de carbono
que el Feα. Esta disolución se refiere a aceptar el
carbono en su red y formar una fase totalmente
homogénea, tal como la disolución de la sal en el agua.
DIAGRAMA Fe - C

ACEROS
DIAGRAMA Fe - C
Aceros hipoeutectoides.- son
aquellos que poseen menos
del 0.77 % de C. La
microestructura presente en
estos aceros consiste de
perlita y ferrita.
En función de las fases presentes los aceros pueden clasificarse en:

DIAGRAMA Fe - C
ACEROS
Aceros eutectoides.- son aquellos que poseen exactamente del 0.77
% de C. La microestructura esta formada totalmente de perlita.

DIAGRAMA Fe - C
ACEROS
Aceros eutectoides.- son aquellos que poseen mas del 0.77 % de C.
La microestructura consiste en cementita y perlita.

DIAGRAMA Fe - C
Los aceros al carbono también pueden clasificarse de
la siguiente manera:
1. Aceros de bajo carbono.- su porcentaje de carbono
es menor a 0.2%. Su microestructura está formada
principalmente por ferrita. Son metales muy suaves,
dúctiles y de baja resistencia.
2. Aceros de medio carbono.- su porcentaje de
carbono oscila entre 0.2% y 0.5%. Su microestructura
esta formada por la mezcla de ferrita y perlita.
Constituyen la mayoría de aceros al carbono
disponibles comercialmente y sus propiedades
mecánicas dependen de la cantidad de ferrita y
perlita que posean.
3. Aceros de alto carbono.- su porcentaje de carbono
es mayor al 0.5%. Tienen dureza y resistencia
elevadas. Su du ductilbildad y tenacidad son bajas.

FUNDICIONES
 La fundición eutectica, con contenido de 4.3% de
carbono y una estructura compuesta de ledeburita
sin fases sobrantes.
 Fundiciones blancas hipoeutecticas, tiene un
contenido de carbono del 2 al 4.3%. Están
compuestas de perlita y cementita.
 Fundiciones blancas hipereutecticas, tiene un
contenido de carbono de 4.3 a 6.67%. Están
compuestas de perlita y cementita.
Los bloques de fundición blanca poseen una gran
dureza y fragilidad; por esta razón las fundiciones
blancas tiene poca aplicación directa. Se emplean
ampliamente las fundiciones blancas hipoeutecticas
con contenido de 2.5 a 3.2% de carbono para obtener
una fundición forjable.
DIAGRAMA Fe - C

La fundición gris tiene un contenido en carbono entre
2.5 y 4.0 % y de silicio entre 1 y 3 %.
El grafito suele aparecer como escamas dentro de una
matriz de ferrita o perlita, la microestructura se observa
en la figura 4.10. El nombre se debe al color de una
superficie fracturada. Desde un punto de vista
mecánico las fundiciones grises son
comparativamente frágiles y poco resistentes a la
tracción. La resistencia y la ductilidad a los esfuerzos
de compresión son muy superiores. Esta fundiciones
amortiguan la energía vibracional de forma mucho
más efectiva que los aceros. Así los equipos que vibran
mucho se suelen construir de esta aleación. A la
temperatura de colada tienen mucha fluidez por lo
que permite moldear piezas de forma muy
complicadas. Además, la fundición gris es uno de los
materiales metálicos más baratos. Se utiliza en bloque
de motores, tambores de freno, cilindros y pistones de
motores.
DIAGRAMA Fe - C

La fundición dúctil o esferoidal se consigue
añadiendo pequeñas cantidades de magnesio y
cerio a la fundición gris en estado líquido. En este
caso, el grafito no se segrega como escamas sino
que forma esferoides (figura 4.11) lo que confiere
a la fundición propiedades mecánicas diferentes.
No es frágil y tiene propiedades mecánicas
similares a las de los aceros. Presenta una mayor
resistencia a la tracción que la fundición gris. Se
suele utilizar para la fabricación de válvulas y
engranajes de alta resistencia, cuerpos de
bomba, cigüeñales y pistones.
DIAGRAMA Fe - C

La fundición blanca contienen poco carbono y
silicio (< 1%) y se obtienen por enfriamiento rápido.
La mayor parte del carbono aparece como
cementita en lugar de grafito, y la superficie
fracturada tiene una tonalidad blanca. La
microestructura se representa en la figura 4.12. La
fundición blanca es extremadamente dura frágil
por lo que es inmecanizable. Su aplicación se
limita a componentes de gran dureza y resistencia
al desgaste y sin ductilidad como los cilindros de
los trenes de laminación. Generalmente la
fundición blanca se obtiene como producto de
partida para fabricar la fundición maleable.
DIAGRAMA Fe - C

La fundición maleable se obtiene a partir de la
fundición blanca por calentamiento prolongado
en atmósfera inerte (para prevenir la oxidación)
a temperaturas entre 800 y 900 °C. En estas
condiciones la cementita descompone para dar
grafito en forma de racimos o rosetas dentro de
la matriz ferrifica o perlítica. La microestructura se
representa en la figura 4.13 y es similar a la de la
fundición esferoidal. Se suele emplear en tubos
de dirección y engranajes de transmisión, muelles
tubulares y partes de válvulas.
DIAGRAMA Fe - C

FERRITA
La ferrita o hierro alfa puede ser
considerado como puro hierro
(fuerza = 280N/mm2). La ferrita es un
material cerámico ferromagnético,
compuestos por hierro, boro y bario,
estroncio o molibdeno. Es junto con
la austenita y cementita uno de los
constituyentes simples del sistema
metaestable Fe-C donde el
carbono forma el compuesto
intermetálico Fe3C.
CEMENTITA
La cementita o carburo de hierro
Fe3C con un contenido en carbono
C del 6,67 %, se produce por efecto
del exceso de carbono sobre el límite
de solubilidad.
Es un compuesto intermetálico cuyo
enlace predominante es no metálico,
parece lógico que sea frágil por lo
que, no es posible utilizarla para
operaciones de laminado o forja
debido a su dificultad para ajustarse
a esfuerzos.
MICROCONSTITUYENTES
DIAGRAMA Fe - C

LA AUSTENITA
Es el constituyente más denso de los
aceros y está formado por una
solución sólida por inserción de
carbono en hierro gamma . La
cantidad de carbono disuelto, varía
de 0,8 % al 1,67 % de carbono C, que
es la máxima solubilidad a la
temperatura de 1125 °C. No es estable
a la temperatura ambiente pero
existen algunos aceros al cromo-níquel
denominados austeníticos cuya
estructura es austenita a temperatura
ambiente.
PERLITA
La perlita es un constituyente compuesto
aproximadamente por el 86,5 % de ferrita y
el 13,5 % de cementita. Su microestructura
está formada por capas o láminas alternas
de las dos fases (ferrita y cementita)
durante el enfriamiento lento de un acero
a temperatura eutectoide. Se le da este
nombre porque tiene la apariencia de una
perla al observarse microscópicamente a
pocos aumentos. Como la fase mayoritaria
es la ferrita, las propiedades estarán más
próximas a las de la ferrita: dureza 200
Brinell, resistencia: 80
kg/mm2, alargamiento: 15 % y resiliencia:
10kg/mm2
DIAGRAMA Fe - C

LA MARTENSITA
La martensita es una solución sólida
sobresaturada de carbono en hierro
alfa . Después de la cementita, es el
constituyente más duro de los aceros
templados. Se obtiene por
enfriamiento muy rápido de los aceros,
una vez elevada su temperatura lo
suficiente para conseguir su
constitución austenítica. Sus
propiedades físicas varían con su
contenido en carbono hasta un
máximo de 0,7 % C, aumentando su
dureza, resistencia mecánica y
fragilidad con el contenido de
carbono.
BAINITA
La bainita es una mezcla de fases de
ferrita y cementita y en su formación
intervienen procesos de difusión. Se
forma la bainita en la transformación
isoterma de la austenita, en un rango
de temperaturas de 250 ºC a 550 ºC.
El proceso consiste en enfriar
rápidamente la austenita hasta una
temperatura
constante, manteniéndose dicha
temperatura hasta la transformación
total de la austenita en bainita.
DIAGRAMA Fe - C

LA TROOSTITA
La troostita antiguamente se la
denominaba osmondita. Constituyente
que aparece en algunos aceros
templados, pero con un enfriamiento a
menor velocidad que la que produce
la martensita, obteniéndose una
parcial transformación de la austenita
en productos intermedios. Sus
propiedades indican que es una
mezcla de cementita y ferrita, que
únicamente se distingue de la perlita,
por su forma de división
extremadamente fina. Se ataca
rápidamente y su aspecto es muy
oscuro.
SORBITA
La sorbita es también un agregado fino
de cementita y ferrita. Se puede
producir; por transformación isotérmica
de la austenita a temperaturas
comprendidas entre 600 ºC y 650 ºC. Al
enfriar rápidamente la austenita, que
deber estar a temperaturas por encima
de la crítica superior, hasta una
temperatura comprendida entre los 600
ºC y 650 ºC, y manteniéndola a esta
temperatura constante hasta su total
transformación en sorbita.
DIAGRAMA Fe - C

LA LEDEBURITA
La ledeburita es una mezcla eutéctica
de austenita y cementita, palabra que
en griego significa fluidez perfecta. 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. Es decir, la
ledeburita se forma al enfriar la
fundición líquida de 4,3% de carbono
C, y se lleva a cabo a 1.130º, siendo
estable hasta 723 ºC (A3 2 1 o punto
crítico inferior), descomponiéndose a
partir de esta temperatura en ferrita y
cementita.
STEADITA
La steadita es un constituyente de
naturaleza eutéctica, que aparece en las
fundiciones de más de 0,15 % de fósforo.
Como la steadita se compone de un 10 %
de fósforo aproximadamente, y casi todo
el fósforo de la fundición se concentra en
este constituyente, se puede calcular el
porcentaje de steadita que contiene la
fundición por su contenido en fósforo (una
fundición que contenga 0,15 % de fósforo,
tendrá el 15 % de steadita).
DIAGRAMA Fe - C

GRAFITO
El grafito, o también conocido
por plumbagina, carbono
mineral o negro de plomo, es la
forma más estable del carbono.
Se presenta en forma de masas
negras o grises, con brillo
metálico. El grafito natural se
encuentra en forma de masas,
amorfo o de escamas. Su
nombre procede de la palabra
griega escritura y su por mula
química es C. Es carbono puro,
aunque puede venir
acompañado deporóxido de
hierro.
DIAGRAMA Fe - C
IMPUREZAS
Una impureza es una sustancia dentro
de un limitado volumen
de líquido, gas o sólido, que difieren
de la composición química de los
materiales o compuestos.
Las impurezas son, ya sea natural o
añadidos, durante la síntesis de una
sustancia química o producto
comercial. Durante la producción, las
impurezas pueden ser a
propósito, accidentalmente, inevitable
mente, cierto o añadido en el fondo.

REACCIONES MAS IMPORTANTES EN EL DIAGRAMA
Fe-C
En el diagrama aparecen tres líneas horizontales, las cuales
indican reacciones isotérmicas. La parte del diagrama
situada en el ángulo superior izquierdo de la figura se
denomina región delta. En ella se reconocerá la horizontal
correspondiente a la temperatura de 1493ºC como la típica
línea de una reacción peritéctica. La ecuación de esta
reacción puede escribirse en la forma.
DIAGRAMA Fe - C

La máxima solubilidad del carbono en el hierro delta (de red
cúbica centrado en el cuerpo) es 0,10 % de C, mientras que
el Fe gamma (de red cúbica centrado en las caras) disuelve
al carbono en una proporción mucho mayor. En cuanto al
valor industrial de esta región es muy pequeño ya que no se
efectúa ningún tratamiento térmico en este intervalo de
temperaturas.
La siguiente línea horizontal corresponde a una temperatura
de 1129ºC, esta temperatura es la de solidificación del
eutéctico y la reacción que en ella se desarrolla es:
DIAGRAMA Fe - C

La mezcla eutéctica, por lo general, no se ve al
microscopio, ya que a la temperatura ambiente la fase
gamma no es estable y experimenta otra transformación
durante el enfriamiento.
La última línea horizontal, se presenta a los 722ºC, esta línea
corresponde a la temperatura de formación del eutectoide,
y al alcanzarse en un enfriamiento lento la fase gamma
debe desaparecer. La ecuación de la reacción eutectoide
que se desarrolla puede expresarse por:
DIAGRAMA Fe - C

DIAGRAMA HIERRO _CARBONO

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