¿Qué son los diagramas de fase del sistema hierro-carbono? Definición

Una aleación es una mezcla de dos o más materiales, al menos uno de los cuales es un metal. Las aleaciones pueden tener una microestructura que consiste en soluciones sólidas , donde los átomos secundarios se introducen como sustituyentes o intersticiales en una red cristalina . Una aleación también puede ser una mezcla de fases metálicas (dos o más soluciones, formando una microestructura de diferentes cristales dentro del metal).

Pero todas las aleaciones pueden existir en diferentes fases. Las fases son estados físicamente homogéneos de una aleación. Una fase tiene una composición química precisa: una cierta disposición y enlace entre los átomos. Esta estructura de átomos imparte diferentes propiedades a diferentes fases. Los diagramas de fase son representaciones gráficas de las fases presentes en una aleación en diferentes condiciones de temperatura, presión o composición química.

Diagrama de fases del sistema hierro-carbono

Las aleaciones ferrosas más simples se conocen como aceros y consisten en hierro (Fe) aleado con carbono (C) (alrededor del 0,1% al 1%, según el tipo). Agregar una pequeña cantidad de carbono no metálico al hierro cambia su gran ductilidad por una mayor resistencia . Debido a su muy alta resistencia, pero aún sustancial dureza , y su capacidad de ser alterado en gran medida por el tratamiento térmico, el acero es una de las aleaciones ferrosas más útiles y comunes en el uso moderno. En la figura, está el hierro-carburo de hierro (Fe-Fe₃C) diagrama de fases. El porcentaje de carbono presente y la temperatura definen la fase de la aleación hierro-carbono y por tanto sus características físicas y propiedades mecánicas. El porcentaje de carbono determina el tipo de aleación ferrosa: hierro, acero o fundición.

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.

Temperatura crítica del acero

La temperatura crítica del acero define la transición de fase entre dos fases del acero. A medida que el acero se calienta por encima de la temperatura crítica , aproximadamente 1335°F (724°C), experimenta un cambio de fase, recristalizándose como austenita. Hay dos tipos de temperatura crítica:

• Baja temperatura crítica (Ac1). La temperatura a la que la austenita comienza a transformarse de ferrita.
• Temperatura crítica superior (Ac3). La temperatura a la que la austenita se transforma completamente de ferrita.

En el sistema Fe-C, hay un punto eutectoide a aproximadamente 0,8% en peso C, 723°C. La fase justo por encima de la temperatura eutectoide para los aceros al carbono simples se conoce como austenita o gamma.

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