Hierro gris vs Hierro blanco vs Hierro dúctil – Comparación – Pros y contras

Hierros Fundidos

En la ingeniería de materiales,  los hierros fundidos  son una clase de aleaciones ferrosas con contenidos de carbono  superiores al 2,14% en peso. Normalmente, los hierros fundidos contienen de  2,14% en peso a 4,0% en peso de carbono  y en cualquier lugar de 0,5% en peso a 3% en peso de  silicio. Las aleaciones de hierro con menor contenido de carbono se conocen como  acero. La diferencia es que los hierros fundidos pueden aprovechar la  solidificación eutéctica  en el sistema binario hierro-carbono. El término eutéctico es griego para «fusión fácil o bien«, y el punto eutéctico representa la composición en el diagrama de fases donde   se alcanza la temperatura de fusión más baja . Para el sistema hierro-carbono el  punto eutéctico se produce a una composición de 4,26% en peso de C y una temperatura de  1148°C.

El hierro fundido , por lo tanto, tiene un punto de fusión más bajo (entre aproximadamente 1150°C y 1300°C) que el acero tradicional, lo que lo hace más fácil de fundir que los aceros estándar. Debido a su alta fluidez cuando se funde, el hierro líquido llena fácilmente moldes intrincados y puede formar formas complejas. La mayoría de las aplicaciones requieren muy poco acabado, por lo que los hierros fundidos se utilizan para una amplia variedad de piezas pequeñas y grandes. Es un material ideal para la fundición en arena en formas complejas, como colectores de escape, sin la necesidad de un mecanizado adicional extenso. Además, algunos hierros fundidos son muy frágiles y el  vaciado  es la técnica de fabricación más conveniente. Hierros fundidos se han convertido en un material de ingeniería con una amplia gama de aplicaciones y se utilizan en tuberías, máquinas y piezas de la industria automotriz, como culatas, bloques de cilindros y cajas de engranajes. Es resistente al daño por oxidación.

Tipos de hierro fundido

Los hierros fundidos  también comprenden una gran familia de diferentes tipos de hierro, dependiendo de  cómo se forme la fase rica en carbono durante la solidificación. La microestructura de los hierros fundidos se puede controlar para proporcionar productos que tengan una excelente ductilidad, buena maquinabilidad, excelente amortiguación de vibraciones, excelente resistencia al desgaste y buena conductividad térmica. Con una aleación adecuada, la  resistencia a la corrosión  de los hierros fundidos puede igualar a la de los aceros inoxidables y las aleaciones a base de níquel en muchos servicios. Para la mayoría de los hierros fundidos, el carbono existe como grafito, y tanto la microestructura como el comportamiento mecánico dependen de la composición y el tratamiento térmico. Los tipos de hierro fundido más comunes son:

• Hierro fundido gris. El hierro fundido gris es el tipo de hierro fundido más antiguo y común. La fundición gris se caracteriza por su microestructura grafítica, que provoca que las fracturas del material tengan un aspecto gris. Esto se debe a la presencia de grafito en su composición. En hierro fundido gris, el grafito se forma como escamas, adquiriendo una geometría tridimensional. El hierro fundido gris tiene menos  resistencia a la tracción  y resistencia a los golpes que el acero, pero su resistencia a la compresión es comparable al acero con bajo y medio carbono. El hierro fundido gris  tiene buena conductividad térmica y capacidad calorífica específica, por lo que se usa a menudo en utensilios de cocina y rotores de freno. El hierro fundido gris  también tiene una  excelente capacidad de amortiguación, que viene dado por el grafito porque absorbe la energía y la convierte en calor. Es deseable una gran capacidad de amortiguación para materiales utilizados en estructuras donde se inducen vibraciones no deseadas durante el funcionamiento, tales como bases de máquinas herramienta o cigüeñales. Los materiales como el latón y el acero tienen pequeñas capacidades de amortiguación que permiten que la energía de vibración se transmita a través de ellos sin atenuación.
• Hierro fundido blanco. Como se escribió, los hierros fundidos son una de las aleaciones más complejas que se utilizan en la industria. Debido al mayor contenido de carbono, la estructura del hierro fundido, a diferencia de la del  acero, presenta una fase rica en carbono. Dependiendo principalmente de la composición, la velocidad de enfriamiento y el tratamiento de la masa fundida, la fase rica en carbono puede solidificarse con la formación de uneutécticoestable (austenita-grafito) o metaestable (austenita-Fe₃C). Con un contenido de silicio más bajo (que contiene menos de 1.0% en peso de agente de grafitización de Si) y una velocidad de enfriamiento más rápida, el carbón en el hierro fundido precipita fuera de la masa fundida como la  fase metaestable de cementita, Fe₃C, en lugar de grafito. El producto de esta solidificación se conoce como  hierro fundido blanco. (también conocido como planchas refrigeradas). Los hierros fundidos blancos  son  duros ,  quebradizos e  imposibles de mecanizar, mientras que los hierros grises con grafito más blando son razonablemente fuertes y mecanizables. Una superficie de fractura de esta aleación tiene un  aspecto blanco y, por lo tanto, se denomina hierro fundido blanco. Es difícil enfriar las piezas fundidas gruesas lo suficientemente rápido como para solidificar la masa fundida como hierro fundido blanco hasta el final. Sin embargo, se puede utilizar un enfriamiento rápido para solidificar una carcasa de hierro fundido blanco, después de lo cual el resto se enfría más lentamente para formar un núcleo de hierro fundido gris. Este tipo de fundición, a veces denominada «fundición fría«, tiene una superficie exterior más dura y un núcleo interior más resistente. Hierro blanco es demasiado frágil para su uso en muchos componentes estructurales, pero con buena dureza y resistencia a la abrasión y un costo relativamente bajo, encuentra uso en aplicaciones donde la resistencia al desgaste es deseable, como en los dientes de excavadoras, impulsores y volutas de bombas de pulpa, carcasa revestimientos y barras elevadoras en molinos de bolas.
• Hierro fundido maleable. El arrabio maleable  es arrabio blanco que ha sido recocido. Mediante un tratamiento térmico de recocido, la  estructura frágil  como primer molde se transforma en la  forma maleable. Por tanto, su composición es muy similar a la del hierro fundido blanco, con cantidades ligeramente superiores de carbono y silicio. Hierro maleable contiene nódulos de grafito que no son verdaderamente esféricos como lo son en el hierro dúctil, porque se forman como resultado del tratamiento térmico en lugar de formarse durante el enfriamiento de la masa fundida. El hierro maleable se fabrica fundiendo primero un hierro blanco para que se eviten las escamas de grafito y todo el carbono no disuelto esté en forma de carburo de hierro. El hierro maleable comienza como una fundición de hierro blanco que luego se trata térmicamente durante uno o dos días a aproximadamente 950°C (.740°F) y luego se enfría durante uno o dos días. Como resultado, el carbono en el carburo de hierro se transforma en nódulos de grafito rodeados por una matriz de ferrita o perlita, dependiendo de la velocidad de enfriamiento. El proceso lento permite que la tensión superficial forme nódulos de grafito en lugar de escamas. . Hierro maleable, como hierro dúctil, posee una considerable ductilidad y tenacidad debido a su combinación de grafito nodular y matriz metálica baja en carbono. Como el hierro dúctil, el hierro maleable también exhibe alta resistencia a la corrosión, excelente maquinabilidad. El La buena capacidad de amortiguación  y la resistencia a la fatiga del hierro maleable también son útiles para un servicio prolongado en piezas sometidas a grandes esfuerzos. Hay dos tipos de hierro maleable ferrítico: corazón negro y corazón blanco. A menudo se utiliza para piezas pequeñas que requieren una buena resistencia a la tracción y la capacidad de flexionarse sin romperse (ductilidad). Las aplicaciones de los hierros fundidos maleables incluyen muchas piezas automotrices esenciales, como portadiferenciales, cajas de diferenciales, tapas de cojinetes, cajas de engranajes de dirección. Otros usos incluyen herramientas manuales, soportes, piezas de máquinas, accesorios eléctricos, accesorios de tubería, equipos agrícolas y hardware de minería.
• Hierro fundido dúctil. El hierro dúctil, también conocido como  hierro nodular  o hierro grafito esferoidal, es muy similar en composición al hierro gris, pero durante la solidificación el grafito se nuclea como  partículas esféricas  (nódulos) en el hierro dúctil, en lugar de como escamas. El hierro dúctil  no es un material único sino parte de un grupo de materiales que pueden producirse con una amplia gama de propiedades mediante el control de su microestructura. La fase de la matriz que rodea a estas partículas es perlita o ferrita, dependiendo del tratamiento térmico. Hierro dúctil es más fuerte y más resistente a los golpes que el hierro gris, por lo que, aunque es más caro debido a las aleaciones, puede ser la opción económica preferida porque una fundición más ligera puede realizar la misma función. Las aplicaciones típicas de este material incluyen válvulas, cuerpos de bombas, cigüeñales, engranajes y otros componentes automotrices y de máquinas debido a su buena maquinabilidad, resistencia a la fatiga y mayor módulo de elasticidad (en comparación con el hierro gris), y en engranajes de servicio pesado debido a su alto límite elástico y resistencia al desgaste.

Propiedades del hierro gris frente al hierro blanco frente al hierro dúctil

Las propiedades de los materiales son propiedades intensivas, lo que significa que son independientes de la cantidad de masa y pueden variar de un lugar a otro dentro del sistema en cualquier momento. La base de la ciencia de los materiales consiste en estudiar la estructura de los materiales y relacionarlos con sus propiedades (mecánicas, eléctricas, etc.). Una vez que un científico de materiales conoce esta correlación estructura-propiedad, puede pasar a estudiar el rendimiento relativo de un material en una aplicación determinada. Los principales determinantes de la estructura de un material y, por tanto, de sus propiedades son sus elementos químicos constituyentes y la forma en que se ha procesado hasta su forma final.

Densidad de hierro gris vs hierro blanco vs hierro dúctil

La densidad del hierro fundido típico es de 7,03 g/cm³.

La densidad  se define como la  masa por unidad de volumen. Es una  propiedad intensiva , que se define matemáticamente como masa dividida por volumen:

ρ = m / V

En palabras, la densidad (ρ) de una sustancia es la masa total (m) de esa sustancia dividida por el volumen total (V) ocupado por esa sustancia. La unidad estándar del SI es  kilogramos por metro cúbico  (kg/m³). La unidad de inglés estándar es  libras de masa por pie cúbico  (lbm/ft³).

Dado que la densidad (ρ) de una sustancia es la masa total (m) de esa sustancia dividida por el volumen total (V) ocupado por esa sustancia, es obvio que la densidad de una sustancia depende en gran medida de su masa atómica y también de  la densidad del número atómico  (N; átomos/cm³),

• Peso atómico. La masa atómica es transportada por el núcleo atómico, que ocupa sólo alrededor de ^10-12  del volumen total del átomo o menos, pero contiene toda la carga positiva y al menos el 99,95% de la masa total del átomo. Por lo tanto, está determinado por el número de masa (número de protones y neutrones).
• Densidad del número atómico. La  densidad del número atómico  (N; átomos/cm³), que está asociada con los radios atómicos, es el número de átomos de un tipo dado por unidad de volumen (V; cm³) del material. La densidad del número atómico (N; átomos/cm³) de un material puro que tiene  un peso atómico o molecular  (M; gramos/mol) y la densidad del  material  (⍴; gramos/cm³) se calcula fácilmente a partir de la siguiente ecuación utilizando el número de Avogadro (N_A = 6,022×10²³  átomos o moléculas por mol):
• Estructura cristalina. La densidad de la sustancia cristalina se ve afectada significativamente por su estructura cristalina. La estructura de FCC, junto con su relativo hexagonal (hcp), tiene el factor de empaque más eficiente (74%). Los metales que contienen estructuras de FCC incluyen austenita, aluminio, cobre, plomo, plata, oro, níquel, platino y torio.

Propiedades mecánicas del hierro gris frente al hierro blanco frente al hierro dúctil

Los materiales se eligen con frecuencia para diversas aplicaciones porque tienen combinaciones deseables de características mecánicas. Para aplicaciones estructurales, las propiedades de los materiales son cruciales y los ingenieros deben tenerlas en cuenta.

Resistencia del hierro gris frente al hierro blanco frente al hierro dúctil

En mecánica de materiales, la resistencia de un material es su capacidad para soportar una carga aplicada sin fallas ni deformaciones plásticas. La resistencia de los materiales básicamente considera la relación entre las cargas externas aplicadas a un material y la deformación resultante o cambio en las dimensiones del material. La resistencia de un material es su capacidad para soportar esta carga aplicada sin fallas ni deformaciones plásticas.

Resistencia a la tracción

La resistencia máxima a la tracción del hierro fundido gris (ASTM A48 Clase 40) es 295 MPa.

La resistencia máxima a la tracción del hierro fundido blanco martensítico (ASTM A532 Clase 1 Tipo A) es 350 MPa.

Resistencia máxima a la tracción del hierro fundido maleable – ASTM A220 es 580 MPa.

La resistencia máxima a la tracción del hierro fundido dúctil – ASTM A536 – 60-40-18 es 414 Mpa (> 60 ksi).

La máxima resistencia a la tracción es la máxima en la curva de ingeniería de tensión-deformación. Esto corresponde a la tensión máxima que puede ser sostenido por una estructura en tensión. La resistencia máxima a la tracción a menudo se reduce a «resistencia a la tracción» o incluso a «máxima». Si se aplica y se mantiene esta tensión, se producirá una fractura. A menudo, este valor es significativamente mayor que el límite elástico (entre un 50 y un 60 por ciento más que el rendimiento para algunos tipos de metales). Cuando un material dúctil alcanza su máxima resistencia, experimenta un estrechamiento donde el área de la sección transversal se reduce localmente. La curva de tensión-deformación no contiene una tensión mayor que la resistencia máxima. Aunque las deformaciones pueden seguir aumentando, la tensión suele disminuir después de que se ha alcanzado la resistencia máxima. Es una propiedad intensiva; por lo tanto, su valor no depende del tamaño de la muestra de prueba. Sin embargo, depende de otros factores, como la preparación de la muestra, temperatura del entorno de prueba y del material. Las resistencias a la tracción máxima varían desde 50 MPa para un aluminio hasta 3000 MPa para aceros de muy alta resistencia.

Módulo de Young

El módulo de Young del hierro fundido gris (ASTM A48 Clase 40) es 124 GPa.

El módulo de Young del hierro fundido blanco martensítico (ASTM A532 Clase 1 Tipo A) es de 175 GPa.

El módulo de Young del hierro fundido maleable – ASTM A220 es 172 GPa.

El módulo de Young de hierro fundido dúctil – ASTM A536 – 60-40-18 es 170 GPa.

El módulo de Young es el módulo elástico para esfuerzos de tracción y compresión en el régimen de elasticidad lineal de una deformación uniaxial y generalmente se evalúa mediante ensayos de tracción. Hasta una tensión límite, un cuerpo podrá recuperar sus dimensiones al retirar la carga. Las tensiones aplicadas hacen que los átomos de un cristal se muevan desde su posición de equilibrio. Todos los átomos se desplazan en la misma cantidad y aún mantienen su geometría relativa. Cuando se eliminan las tensiones, todos los átomos vuelven a sus posiciones originales y no se produce ninguna deformación permanente. Según la ley de Hooke, la tensión es proporcional a la deformación (en la región elástica) y la pendiente es el módulo de Young. El módulo de Young es igual a la tensión longitudinal dividida por la deformación.

Dureza del hierro gris vs hierro blanco vs hierro dúctil

La dureza Brinell del hierro fundido gris (ASTM A48 Clase 40) es de aproximadamente 235 MPa.

La dureza Brinell del hierro fundido gris martensítico blanco fundido (ASTM A532 Clase 1 Tipo A) es de aproximadamente 600 MPa.

La dureza Brinell del hierro fundido maleable – ASTM A220 es de aproximadamente 250 MPa.

La dureza Brinell del hierro fundido dúctil – ASTM A536 – 60-40-18 es de aproximadamente 150 – 180 MPa.

La prueba de dureza Rockwell  es una de las pruebas de dureza por indentación más comunes, que se ha desarrollado para las pruebas de dureza. A diferencia de la prueba de Brinell, el probador Rockwell mide la profundidad de penetración de un penetrador bajo una carga grande (carga mayor) en comparación con la penetración realizada por una precarga (carga menor). La carga menor establece la posición cero. Se aplica la carga principal y luego se retira mientras se mantiene la carga menor. La diferencia entre la profundidad de penetración antes y después de la aplicación de la carga principal se utiliza para calcular el  número de dureza Rockwell. Es decir, la profundidad de penetración y la dureza son inversamente proporcionales. La principal ventaja de la dureza Rockwell es su capacidad para  mostrar los valores de dureza directamente. El resultado es un número adimensional anotado como  HRA, HRB, HRC, etc., donde la última letra es la escala de Rockwell respectiva.

La prueba Rockwell C se realiza con un penetrador Brale (cono de diamante de 120°) y una carga mayor de 150 kg.

Propiedades térmicas del hierro gris frente al hierro blanco frente al hierro dúctil

Las propiedades térmicas  de los materiales se refieren a la respuesta de los materiales a los cambios de  temperatura y a la aplicación de calor. A medida que un sólido absorbe energía en forma de calor, su temperatura aumenta y sus dimensiones aumentan. Pero los diferentes materiales reaccionan a la aplicación de calor de manera diferente.

La capacidad calorífica, la expansión térmica y la conductividad térmica son propiedades que a menudo son críticas en el uso práctico de sólidos.

Punto de fusión del hierro gris frente al hierro blanco frente al hierro dúctil

Punto de fusión del hierro fundido gris: el acero ASTM A48 es de alrededor de 1260°C.

El punto de fusión del hierro fundido blanco martensítico (ASTM A532 Clase 1 Tipo A) es de alrededor de 1260°C.

El punto de fusión del hierro fundido maleable – ASTM A220 es de alrededor de 1260°C.

El punto de fusión del hierro fundido dúctil – ASTM A536 – acero 60-40-18 es de alrededor de 1150°C.

En general, la  fusión  es un  cambio  de fase de una sustancia de la fase sólida a la líquida. El  punto  de fusión de una sustancia es la temperatura a la que se produce este cambio de fase. El  punto de fusión  también define una condición en la que el sólido y el líquido pueden existir en equilibrio.

Conductividad térmica del hierro gris frente al hierro blanco frente al hierro dúctil

La conductividad térmica del hierro fundido gris – ASTM A48 es 53 W/(mK).

La conductividad térmica del hierro fundido blanco martensítico (ASTM A532 Clase 1 Tipo A) es de 15 a 30 W/(mK).

La conductividad térmica del hierro fundido maleable es de aproximadamente 40 W/(mK).

La conductividad térmica del hierro fundido dúctil es de 36 W/(mK).

Las características de transferencia de calor de un material sólido se miden mediante una propiedad llamada  conductividad térmica, k (o λ), medida en  W/mK. Es una medida de la capacidad de una sustancia para transferir calor a través de un material por  conducción. Tenga en cuenta que  la ley de Fourier se  aplica a toda la materia, independientemente de su estado (sólido, líquido o gas), por lo tanto, también se define para líquidos y gases.

La  conductividad térmica  de la mayoría de los líquidos y sólidos varía con la temperatura. Para los vapores, también depende de la presión. En general:

La mayoría de los materiales son casi homogéneos, por lo que normalmente podemos escribir  k = k (T). Se asocian definiciones similares con conductividades térmicas en las direcciones y y z (ky, kz), pero para un material isótropo, la conductividad térmica es independiente de la dirección de transferencia, kx = ky = kz = k.

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