La ferrita o α-ferrita es una fase de estructura cúbica de hierro centrada en el cuerpo que existe por debajo de temperaturas de 912°C para bajas concentraciones de carbono en el hierro. La α-ferrita solo puede disolver hasta un 0,02 por ciento de carbono a 727°C. Esto se debe a la configuración de la red de hierro que forma una estructura cristalina BCC. En una disposición de átomos bcc (BCC), la celda unitaria consta de ocho átomos en las esquinas de un cubo y un átomo en el centro del cuerpo del cubo. En una disposición bcc, una celda unitaria contiene (8 átomos de esquina × ⅛) + (1 átomo central × 1) = 2 átomos. El empaque es más eficiente (68%) que el cúbico simple y la estructura es común para metales alcalinos y metales de transición tempranos.
La fase principal del acero con bajo contenido de carbono o acero dulce y la mayoría de los hierros fundidos a temperatura ambiente es el α-Fe ferromagnético. Tiene una dureza de aproximadamente 80 Brinell. El acero dulce (acero al carbono con hasta aproximadamente 0,2% en peso de C) consiste principalmente en α-Fe y cantidades crecientes de cementita (Fe3C, un carburo de hierro). La mezcla adopta una estructura laminar denominada perlita. Dado que la bainita y la perlita contienen α-Fe como componente, cualquier aleación de hierro-carbono contendrá una cierta cantidad de α-Fe si se permite que alcance el equilibrio a temperatura ambiente. La cantidad de α-Fe depende del proceso de enfriamiento.
δ-ferrita
La fase δ-ferrita tiene una estructura similar, una estructura cristalina cúbica centrada en el cuerpo (BCC), como la de la α-ferrita, pero existe solo a altas temperaturas. La fase se puede ver en la esquina superior izquierda del gráfico. Tiene un punto de fusión de 1538°C.
Acero bajo en carbono
El acero con bajo contenido de carbono , también conocido como acero dulce, es ahora la forma más común de acero porque su precio es relativamente bajo y proporciona propiedades materiales que son aceptables para muchas aplicaciones. El acero con bajo contenido de carbono contiene aproximadamente entre un 0,05 y un 0,25% de carbono, lo que lo hace maleable y dúctil . El acero dulce tiene una resistencia a la tracción relativamente baja , pero es barato y fácil de formar; la dureza de la superficie se puede aumentar mediante la carburación.
Las aplicaciones típicas incluyen componentes de carrocería de automóviles, formas estructurales (p. Ej., Vigas en I, canales y ángulos de hierro) y láminas que se utilizan en tuberías y edificios. Por ejemplo, el acero A36 es un acero estructural común en los Estados Unidos. Las láminas de acero con bajo contenido de carbono utilizadas para aplicaciones de carrocería de automóviles, por ejemplo, se someten a una variedad de operaciones de conformado, incluida la embutición profunda. Las microestructuras constan de componentes de ferrita y perlita. Como consecuencia, estas aleaciones son relativamente blandas y débiles, pero tienen una ductilidad y tenacidad sobresalientes. Además, son mecanizables, soldables y, de todos los aceros, son los menos costosos de producir. La densidad de este metal es 7861,093 kg/m³ (0,284 lb/in³) y la resistencia a la tracción es de un máximo de 500 MPa (72500 psi).
Acero inoxidable ferrítico
En los aceros inoxidables ferríticos , el carbono se mantiene en niveles bajos (C <0,08%) y el contenido de cromo puede oscilar entre el 10,50 y el 30,00%. Se denominan aleaciones ferríticas porque contienen principalmente microestructuras ferríticas a todas las temperaturas y no pueden endurecerse mediante tratamiento térmico y enfriamiento. Están clasificados con designaciones de la serie AISI 400. Mientras que algunos grados ferríticos contienen molibdeno (hasta 4,00%), solo el cromo está presente como el principal elemento metálico de aleación. Por lo general, su uso está limitado a secciones relativamente delgadas debido a la falta de tenacidad en las soldaduras. Además, tienen una resistencia a altas temperaturas relativamente pobre. Los aceros ferríticos se eligen por su resistencia al agrietamiento por corrosión bajo tensión., lo que los convierte en una alternativa atractiva a los aceros inoxidables austeníticos en aplicaciones donde prevalece el SCC inducido por cloruros.
Otras Fases Comunes en Aceros y Hierros
El tratamiento térmico de aceros requiere una comprensión tanto de las fases de equilibrio como de las fases metaestables que ocurren durante el calentamiento y / o enfriamiento. Para los aceros, las fases de equilibrio estable incluyen:
- Ferrita . La ferrita o α-ferrita es una fase de estructura cúbica de hierro centrada en el cuerpo que existe por debajo de las temperaturas de 912°C para concentraciones bajas de carbono en el hierro. La α-ferrita solo puede disolver hasta un 0,02 por ciento de carbono a 727°C. Esto se debe a la configuración de la red de hierro que forma una estructura cristalina BCC. La fase principal del acero con bajo contenido de carbono o acero dulce y la mayoría de los hierros fundidos a temperatura ambiente es el α-Fe ferromagnético.
- Austenita . La austenita, también conocida como hierro en fase gamma (γ-Fe), es una fase de estructura cúbica de hierro no magnética centrada en la cara. La austenita en las aleaciones de hierro y carbono generalmente solo está presente por encima de la temperatura eutectoide crítica (723°C) y por debajo de 1500°C, dependiendo del contenido de carbono. Sin embargo, puede conservarse a temperatura ambiente mediante la adición de aleaciones como níquel o manganeso. El carbono juega un papel importante en el tratamiento térmico, ya que amplía el rango de temperatura de estabilidad de la austenita. Un mayor contenido de carbono reduce la temperatura necesaria para austenitizar el acero, de modo que los átomos de hierro se reorganizan para formar una estructura de celosía fcc. La austenita está presente en el tipo de acero inoxidable más utilizado, que es muy conocido por su resistencia a la corrosión.
- Grafito . Agregar una pequeña cantidad de carbono no metálico al hierro cambia su gran ductilidad por una mayor resistencia .
- Cementita . La cementita (Fe3C) es un compuesto metaestable y, en algunas circunstancias, puede disociarse o descomponerse para formar α-ferrita y grafito, según la reacción: Fe3C → 3Fe (α) + C (grafito). La cementita en su forma pura es una cerámica y es dura y quebradiza, lo que la hace adecuada para el refuerzo de aceros. Sus propiedades mecánicas están en función de su microestructura, que depende de cómo se mezcle con la ferrita.
Las fases metaestables son:
Pearlita . En metalurgia, la perlita es una estructura metálica en capas de dos fases, que se componen de capas alternas de ferrita (87,5% en peso) y cementita (12,5% en peso) que se encuentra en algunos aceros y fundiciones. Se llama así por su parecido con el nácar.- Martensita . La martensita es una estructura metaestable muy dura con una estructura cristalina tetragonal centrada en el cuerpo (BCT). La martensita se forma en los aceros cuando la velocidad de enfriamiento de la austenita es tan alta que los átomos de carbono no tienen tiempo para difundirse fuera de la estructura cristalina en cantidades suficientemente grandes para formar cementita (Fe3C).
- Bainita . La bainita es una microestructura en forma de placa que se forma en los aceros a partir de la austenita cuando las velocidades de enfriamiento no son lo
suficientementerápidaspara producir martensita, pero aún lo son lo suficiente para que el carbono no tenga tiempo suficiente para difundirse y formar perlita. Los aceros bainíticos son generalmente más fuertes y duros que los aceros perlíticos; sin embargo, exhiben una combinación deseable de resistencia y ductilidad.
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