Información básica acerca de los estados alotrópicos del hierro

1. ESTADOS ALOTRÓPICOS
DEL HIERRO
Profesor: Rodrigo Vera
Aprendizaje es libertad

2. Cuando se calienta el hierro desde la temperatura ambiente hasta su
estado líquido, sufre una serie de transformaciones en su estructura
cristalina.
A las diferentes estructuras que aparecen cuando se produce
este calentamiento se las denomina estados alotrópicos.

3. En el hierro se pueden distinguir cuatro estados alotrópicos:
Hierro alfa
El hierro alfa se presenta a temperaturas
inferiores a los 768ºC.
Presenta una cristalización según el
sistema cúbico centrado de cuerpo.
No disuelve el carbono y tiene carácter
magnético.
A los 768ºC pierde el magnetismo.
Las temperaturas a las cuales tienen lugar estas
transformaciones se denominan puntos críticos y
son representados mediante la letra A.
Este estado recibe el nombre de ferrita.

4. Hierro beta
Se forma a temperaturas comprendidas
entre 768ºC y 900ºC
Cristaliza en el sistema
cúbico centrado de cuerpo.
Se diferencia principalmente del hierro
alfa en que no es magnético.
Desde el punto de vista metalográfico
y mecánico tiene poco interés.

5. Hierro gamma
Se forma a temperaturas comprendidas
entre los 900 y los1400ºC.
Cristaliza en el sistema cúbico centrado de caras (FCC).
Tiene gran capacidad para formar soluciones sólidas, ya
que dispone de espacios interatómicos grandes.
Puede disolver hasta un 2% de carbono.
Esta solución recibe el nombre de austenita.

6. Hierro delta
Se forma a temperaturas comprendidas
entre los 1400 y 1539ºC.
Cristaliza en red cúbica centrada de cuerpo (BCC).
Aparece a elevadas temperaturas, tiene poca
importancia en el estudio de los tratamientos
térmicos y tampoco tiene aplicación siderúrgica.
Todas las transformaciones alotrópicas van acompañadas de un
cambio de volumen.

7. Si desde el estado líquido, se deja
enfriar lentamente una muestra de
hierro, ésta se solidificará
instantáneamente hacia los 1535ºC.
Si continua el enfriamiento se
nota una irregularidad en su
velocidad hacia los 1400ºC,
A los 898ºC aparece una
disminución de la velocidad de
enfriamiento.
Se observa una disminución de la
velocidad de enfriamiento a lo
750ºC
A estas temperaturas se las denomina temperaturas críticas o puntos
críticos y se denotan con los nombres Ar4, Ar3 y Ar2 respectivamente.

8. En el punto Ar4 (1400ºC) se produce el cambio alotrópico de hierro delta a hierro
gamma.
En el punto Ar2 (750ºC) se produce la transformación de hierro alfa no magnético a
hierro alfa magnético.
En el punto crítico Ar3 (898ºC) se produce la transformación de hierro gamma a
hierro alfa no magnético.

9. Aleaciones Hierro-Carbono
El carbono se puede encontrar en el hierro de las siguientes formas:
• Disuelto en hierro gamma, formando una solución sólida denominada
austenita.
• Disuelto en hierro alfa en muy pequeñas proporciones.
• Combinado con el hierro, formando un compuesto denominado cementita
(Fe3C)
• Libre formando láminas o nódulos de grafito.

10. Constituyentes particulares (Microconstituyentes)
Ferrita (Hierro alfa)
Para temperaturas inferiores a 900 ºC
tiene una estructura cúbica centrada en
el cuerpo.
Dependiendo de la temperatura a la que se
encuentre, la ferrita es dúctil y magnética,
pero pasa a ser no magnética a
temperaturas superiores a 768 ºC.
La máxima solubilidad del carbono en la
forma alfa es sólo 0,0259 % en masa
a 723 ºC.

11. Austenita
Componente también conocido como hierro gamma (Feγ), con
estructura cúbica centrada en las caras.
Es estable a temperaturas comprendidas entre 910 ºC y 1400 ºC
y es más densa que la forma alfa y no magnética.
El Fe γ llega a disolver hasta 1,76 % de carbono a 1130 ºC.
La solución sólida de inserción formada recibe el nombre de austenita,
la cual sólo es estable a elevadas temperaturas.

12. Cementita
Este constituyente es el carburo de hierro, con un 6,67 % de carbono, de
fórmula Fe3C, que cristaliza en el sistema ortorrómbico.
Es muy frágil y duro (HV = 840) y a bajas temperaturas es ferromagnético y
pierde esta propiedad a 212 ºC .
Perlita
Es una mezcla que se da en el punto eutectoide (0,8 % de C y 723 ºC) y consta de
ferrita más cementita.
Las propiedades mecánicas de la perlita son intermedias entre las de la ferrita y
cementita y aunque es más dura y resistente que la ferrita, es más blanda y
maleable que la cementita.

13. Martensita
Es una solución sólida sobresaturada de carbono en Fe α.
Se obtiene por enfriamiento rápido de la austenita de los aceros
La proporción de carbono no es constante y varía hasta un contenido
máximo de 0,98 %.
Si aumentamos la proporción de carbono, también aumenta la resistencia
mecánica, la dureza y la fragilidad del acero.

14. Tratamientos termoquímicos
Consisten en operaciones de calentamiento y enfriamiento de los metales,
completadas con la aportación de otros elementos en la superficie de las
piezas.
Cementación.
Consiste en la adición de carbono a la superficie de un acero que presente
un bajo contenido en carbono a una cierta temperatura.
Se obtiene así una dureza superficial muy elevada.

15. Nitruración.
Es un proceso de endurecimiento del acero por absorción de nitrógeno a
una temperatura determinada.
Proporciona una buena resistencia a la corrosión.
Se utiliza para endurecer piezas de maquinaria (bielas, cigüeñales, etc.);
también herramientas, como brocas, etcétera.
Cianuración.
Es un tratamiento intermedio entre los dos anteriores.
Se utiliza tanto en aceros con bajo contenido en carbono como también en
aquéllos cuyo contenido en carbono sea medio o alto.
Se aplica cuando se pretende que adquieran una buena resistencia.

16. Carbonitruración.
Consigue aumentar la dureza de los aceros mediante la absorción simultánea de
carbono y nitrógeno a una temperatura determinada.
La carbonitruración se realiza mediante gases, y la cianuración por medio de
baños.
Se emplea en piezas de gran espesor.
Sulfinización.
Mediante la inmersión del metal en un baño especial se consigue incorporarle
una capa de carbono, nitrógeno y, sobre todo, azufre.
Se aumenta considerablemente la resistencia al desgaste de los metales, a la
vez que se disminuye su coeficiente de rozamiento.

17. Propiedades Eléctricas de los Materiales
Determinan el comportamiento de un material cuando pasa por el la corriente
eléctrica.
La conductividad, es la propiedad que tienen los materiales para transmitir la corriente
eléctrica. En función de ella los materiales pueden ser:
Conductores:
Aislantes:
Semiconductores:
permiten el paso de la corriente fácilmente por ellos.
No permiten fácilmente el paso de la corriente por ellos.
Solo permiten el paso de la corriente por ellos en determinadas
condiciones.
Factores que pueden influir en la conductividad de los semiconductores son la
Temperatura, la presión, la presencia de un campo magnético o eléctrico o una
radiación incidiendo sobre el semiconductor.

18. Propiedades Mecánicas
Describen el comportamiento de los materiales cuando son sometidos a las
acciones de fuerzas exteriores.
Resistencia mecánica
Es la resistencia que presenta un material ante fuerzas externas.
Elasticidad: Propiedad de los materiales de recuperar su forma original cuando
deja de actuar sobre ellos la fuerza que los deformaba.
Plasticidad: Propiedad de los cuerpos para adquirir deformaciones permanentes.
Maleabilidad: Facilidad de un material para extenderse en láminas o planchas.
Ductilidad: Propiedad de un material para extenderse formando cables o hilos.
Dureza: Es la resistencia que opone un material a dejarse rayar por otro.

19. Tenacidad: Es la resistencia que ofrece un material a romperse cuando es golpeado.
Fragilidad: Lo contrario a tenaz.
Es la propiedad que tienen los cuerpo de romperse fácilmente cuando
son golpeados.
Fluencia La tendencia del material a moverse lentamente y a deformarse permanentemente
bajo la influencia de una tensión mecánica externa.
Resiliencia Se define como la energía máxima que puede ser absorbida sin que se produzca
una deformación permanente.
Fatiga Se trata del debilitamiento del material causado por la carga repetida del
mismo.

20. Para analizar las propiedades mecánicas de los materiales se realizan ensayos
sobre el propio material.
Algunos de los ensayos mas usados son:
Gracias a los ensayos, se pueden detectar los defectos en componentes, estructuras o
máquinas, como fracturas o deformaciones, por efecto de fuerzas y tensiones, y corregirlos.
Pruebas de tensión y compresión estáticas
Un ensayo de tensión estática determina el punto de rotura del material y su
deformación.
Los ensayos de compresión estática determinan la respuesta de un material al aplastamiento, o
a la carga de tipo soporte, como en las vigas de una casa.
Tensión o Tracción Compresión

21. Pruebas de resistencia a la fractura
Son capaces de medir la propensión de un material a propagar una grieta.
Ensayos de cizallamiento y flexión
Los ensayos de cizalladura en el plano indican la respuesta de deformación de
un material a las fuerzas aplicadas tangencialmente.
Se aplican principalmente a materiales de lámina fina, ya sean metales o compuestos,
como el plástico reforzado con fibra de vidrio.

22. Ensayo de dureza
Se basa en la respuesta de un material ofrece a una carga colocada en un pequeño punto está
relacionada con su capacidad de deformarse permanentemente, los mas conocidos son los
Ensayos de dureza Brinell y los ensayos de dureza Rockwell.
Los ensayos de dureza Brinell son pruebas que se llevan a
cabo sobre ciertos materiales para conocer su resistencia
frente a la penetración
Dureza Brinell
Consiste en aplicar un objeto (indentador o penetrador) con una
determinada carga sobre la superficie del material a estudiar.
Posteriormente, se mide la profundidad de la huella generada con
una lupa microscópica. Todo ello se realiza con una máquina
calibrada llamada durómetro.
La dureza de la escala Brinell se expresa en HB y se calcula
dividiendo la fuerza (P) de la carga empleada entre la superficie (S)
de la huella obtenida:
HB = P / S

23. Ensayo de dureza Rockwell
Se utiliza para medir la dureza de los materiales metálicos,
Es una prueba no destructiva que se realiza sobre muestras cuando es necesario
determinar la dureza de un material.
La dureza que mide la escala Rockwell se refiere a la resistencia a la penetración de un
material, generalmente metálico.
Los fabricantes industriales aprovechan los ensayos de dureza de los metales
para determinar la resistencia a la tracción, la elasticidad y la plasticidad del material.
El tipo de penetrador y la carga de
ensayo determinan la escala de
dureza, que se expresa en letras
como A, B, C, etc.

24. Propiedades Térmicas
Determinan el comportamiento de los materiales frente al calor.
Resistencia Térmica: Resistencia de un material a que pase por el el calor.
Si un material tiene mucha resistencia térmica es mal conductor térmico o
del calor, por ejemplo propiedad necesaria para los materiales ignífugos.
Conductividad térmica: Mide la capacidad que tiene un material de conducir el calor, es decir si
es buen o mal conductor del calor.
Un material con mucha conductividad térmica es muy buen conductor del calor.

25. Fusibilidad: Facilidad con que un material puede fundirse (pasar de líquido a solido o viceversa)
Soldabilidad: Facilidad de un material para poder soldarse consigo mismo o con otro material.
Dilatación: Es el aumento de tamaño que experimenta un material cuando se eleva su
temperatura.
Las juntas de dilatación (separación) se hacen
para que al aumentar de volumen por el calor el
material pueda alargarse sin curvarse.

26. Propiedades Ópticas
Se ponen de manifiesto cuando la luz incida sobre el
material.
Materiales opacos: No se pueden ver los objetos a través de ellos.
Materiales transparentes: Los objetos se pueden ver a través de ellos, pues dejan pasar los rayos de luz.
Materiales translúcidos: Permiten el paso de la luz, pero no dejan ver con nitidez a través de ellos.

27. Propiedades Ecológicas de los Materiales
Reciclables: Materiales que se pueden reciclar, es decir su material puede ser usado
para fabricar otro diferente.
Reutilizable: Se puede volver a utilizar pero para el mismo uso.
Tóxicos: Estos materiales son nocivos para el medio ambiente, ya que pueden resultar
venenosos para los seres vivos y contaminar el agua, el suelo o la atmósfera.
Biodegradables: Son los materiales que la naturaleza tarda poco tiempo en
descomponerlos de forma natural en otras sustancias.