16-metalografia

TEORÍA TP Nº 1

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METALOGRAFÍA

Los métodos tradicionales o clásicos, que se emplean en los estudios metalográficos, se refieren a la observación directa de los elementos estructurales, hecha a simple vista, o con el microscopio. Esa observación puede verse facilitada por la aplicación de un ataque químico en la superficie a observar, que, convenientemente elegido, pone de relieve los detalles cuya observación se persigue.

La metalografía puede ser dividida, según el tamaño de los elementos estructurales que se desea analizar, en metalografía macroscópica, microscópica y submicroscópica. La metalografía

macroscópica suele ser llamada macroscopía y la microscópica, microscopía.

MACROSCÓPICA

METALOGRAFÍA MICROSCÓPICA

SUBMICROSCÓPICA

Convencionalmente se considera que la división entre metalografía macroscópica y microscópica está dada por el uso de un aumento de 20x. La metalografía macroscópica incluye la observación a simple vista y con lentes de hasta 20x. Con aumentos mayores se está en el campo de la metalografía microscópica.

Cuando los detalles a analizar son tan pequeños que es imposible obtener imágenes con los aumentos posibles con el uso del microscopio, se deben emplear técnicas indirectas que se consideran incluidas en la metalografía submicroscópica.

MACROGRAFÍALas reproducciones gráficas del aspecto que presentan las superficies preparadas para la

observación metalográfica (según las dimensionesde los detalles a analizar), pueden ser:

MICROGRAFÍA

FOTOMACROGRAFÍAS

Cuando las reproducciones se hacen mediante el uso de la fotografía, según

el aumento utilizado, tenemos:

FOTOMICROGRAFÍAS

Las técnicas de observación macro y microscópica son complementarias en el sentido de que las primeras permiten obtener un conocimiento no muy profundo de la estructura, pero vinculado a una zona bastante grande de las muestras, mientras que con las técnicas microscópicas, si bien se facilita un conocimiento más profundo de la estructura, dicho conocimiento está limitado a una zona muy pequeña.

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Determinando mediante métodos macroscópicos las zonas que presentan características estructurales de interés, el estudio microscópico de dichas zonas permitirá un análisis completo del problema que se estudie.

Los métodos metalográficos se clasifican en destructivos y no destructivos, según que la pieza analizada pueda ser utilizada o no después del examen al que es sometida.

Los métodos metalográficos clásicos requieren casi siempre la preparación de una probeta extraída de la pieza a analizar y son, por ello, destructivos.

MÉTODOS MACROSCÓPICOS DE OBSERVACIÓN DIRECTA

Las características estructurales de tamaño macroscópico pueden ser observadas sin preparación previa de la superficie en estudio, o requerir una preparación que siempre es menos elaborada que para la observación microscópica e incluye generalmente un ataque químico.

También se utiliza la observación a simple vista para el análisis de las causas de rotura de las piezas. Esta observación puede ser complementada con la observación medinate lupas de poco aumento, quedando por ello el método dentro del campo de la macroscopía.

El uso de aumentos elevados no es apropiado para la observación de superficies de fractura, porque la irregularidad de las mismas no permite obtener imágenes nítidas.

Sin embargo, en estudios sobre mecanismos de rotura, los estudios hechos sobre pequeñas regiones de las superficies de fractura se realizan mediante microscopios, especialmente los electrónicos.

Preparación de muestras para la observación macroscópica.

Las muestras macroscópicas que requieren un ataque químico para poner de relieve sus características estructurales, deben por lo general ser sometidas a una preparación mecánica previa.

Esa preparación, puede consistir en una simple operación de mecanizado o en operaciones de pulimento con sustancias abrasivas.

Esto último se realiza por lo general empleando papel esmeril de grano relativamente grueso.

El reactivo más empleado para el examen de los aceros, es una solución al 50% de ácido clorhídrico comercial, en agua, trabajándose entre 70ºC y 80ºC, con tiempos de ataque del orden de la media hora.

El ataque debe realizarse bajo una campana extractora de humos, por ser éstos nocivos.

La muestra debe ser después lavada cuidadosamente en un chorro de agua, cepillando la superficie con un cepillo de cerda blanda.

Posteriormente se lava con alcohol para eliminar el agua de las cavidades, y finalmente se la seca sobre un plato caliente o en estufa con circulación de aire.

Para mantener las muestras atacadas durante largo tiempo, se debe proteger la superficie con una aplicación suave de laca transparente, pudiendo usarse, para períodos breves, aceite liviano o glicerina.

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Funciones del ataque químico en la observación macroscópica 3

La heterogeneidad química de las estructuras puede ser puesta en evidencia por la acción selectiva de los reactivos empleados, ello permite observar segregaciones de distinto tipo.

El reactivo químico también actúa sobre las discontinuidades estructurales, magnificandolas y haciéndolas así más visibles.

La magnificación de los defectos que produce el ataque químico puede dar lugar a falsas conclusiones sobre la verdadera magnitud de los defectos por lo que, si no se tiene adecuada experiencia, deben realizarse observaciones previas de las superficies a analizar, sin ataque o con un ataque muy débil, antes de proceder al ataque definitivo.

La segregación alineada de impurezas, en piezas sometidas a procesos de deformación plástica, puede ser observada con un ataque químico conveniente, el cual pondrá en evidencia la dirección en que han sido aplicados los esfuerzos durante la deformación plástica.

MICROSCOPIOS METALOGRAFICOS

Los micróscopios usados en metalografía se clasifican en ópticos y electrónicos. En los microscopios ópticos se aplica el principio de reflexión para la observación micrográfica, por ser los metales opacos a la luz aun en láminas muy delgadas.

Los haces electrónicos, que se usan en vez de la luz en los microscopios electrónicos, permiten la observación por transparencia si las probetas a observar son de poco espesor.

En todo los casos la observación por transparencia es posible con los microscopios, si se obtienen réplicas que copien las características de las superficies a analizar usando para ello un material que puede ser atravezado por la luz o por los haces electrónicos.

METALOGRAFIA MICROSCOPICA

Preparación de probetas en microscopía

El primer paso para la preparación de muestras (probetas) para la observación microscópica, es la obtención de la mismas a partir del material en estudio.

Esta operación debe realizarse tomando precausiones para que no se modifique la estructura del metal.

Si se corta la muestra con sierra o con piedras especiales, deberá cuidarse de que el calor desarrollado no afecte las características del material, debiendo en muchos casos refrigerarse la herramienta durante el corte, si el material es frágil, lo más conveniente suele resultar separar la muestra usando un martillo.

Como las muestras deben ser pequeñas, hay que asegurarse de que con las mismas puedan obteberse los resultados esperados, para lo cual deben extraerse de las zonas convenientes y en cantidaes adecuadas al estudio que se quiera realizar.

La superficie de la muestra a examinar será luego aplanada a lima, con piedra esmeril, o con tela esmeril gruesa, operación que se denomina desbaste grueso.

El desbaste fino , que se realiza a continuación, tiene por objeto obtener una superficie bien lisa, aunque no especular; la terminación especular que se requiere para las observaciones microscópicas se logra con el pulido final , operación con la que termina la preparación mecánica de la muestra.

El desbate fino se lleva a cabo con telas esmeriles en operaciones sucesivas en las que se emplea cada vez una grano más pequeño de esmeril; se comeinza con telas de grano relativamente grueso, y luego se pasa a la serie fina, generalmente designada con 0, 00, 000 y 0000 (80, 120, 320, 400, 600) en grado de creciente fineza.

Las telas esmeriles suelen colocarse sobre placas planas de vidrios o metal, y la muestra se aplica a mano frotando suavemente en presencia de agua.

Al pasar de una tela a otra se modifica la posición de la muestra, para que desaparezcan las marcas de la operación anterior.

Las telas suelen también fijarse sobre discos giratorios de metal, en máquinas apropiadas donde la superficie a preparar puede quedar horizontal o vertical. En estos casos suelen emplearse

dispositivos que se aplican automáticamente la presión sobre la muestra.

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El pulido final se realiza en pulidoras a disco, semejantes a las máquinas desbastadoras, 4

pero se emplean, en vez de

tela esmeril, fieltros sobre los que se proyectan polvos abrasivos muy finos, suspendidos en un líquido.

El abrasivo debe ser de naturaleza adecuada al metal que se quiere pulir, utilizándose generalmente alúmina pura de granulometría muy pequeña. La operación automática de la presión es más común en esta operación que en la de desbaste.

El proceso de desbaste se diferencia del pulido final en la manera de modificar la superficie de la muestra. En el primero, el abrasivo corta el metal rayándolo; aunque se originan también deformaciones plásticas que modifican la estructura del material.

En el pulido final el fenómeno consiste fundamentalmente en una deformación plástica que origina la extensión del material en relieve que a quedado como consecuencia de las rayas formadas en los procesos anteriores. La presencia de material distorsionado, como consecuencia de estas operaciones, debe ser eliminada por ataque químico.

Después del pulimento se realiza el ataque químico, que generalmente consiste en sumergir la muestra en el reactivo por breves segundos, de modo que sólo la superficie pulida esté en contacto con el líquido.

El tipo de reactivo empleado, y el tiempo de ataque, dependen del material a observar y del tipo de estudio a realizar, siendo el reactivo más usado, sobre todo para aleaciones de hierro, una solución alcohólica de ácido nítrico al 2 %, llamada nital-2.

Objeto y función del ataque químico en microscopía

El ataque químico de las probetas para microscopía tiene un carácter más selectivo de los detalles estructurales que el correspondiente a la observación macroscópica.

La estructura granular de los metales no es por lo general visible ni aun con grandes aumentos, si se observa directamente después de un pulido perfecto.

Ello se debe a la capa de metal distorsionado que, como consecuencia del pulido final, cubre totalmente la superficie de la probeta y que evita que puedan observarse contornos granulares o diferenciarse entre sí los granos que presentan distinyas orientación o composición química.

El ataque químico, al eliminar la capa distorsionada superficial, pone de manifiesto esos detalles.

Si los granos cristalinos tienen naturaleza química distinta, la diferenciación se basa en la selectividad del reactivo empleado, que debe tener la propiedad de atacar de modo distinto a los diversos constituyentes de la estructura granular.

Esta selectividad puede dar lugar a una distinta coloración de los granos o, lo que es más común, a una distinta profundidad de ataque, que dará, como consecuencia, una distinta tonalidad de la luz reflejada por granos de diferente naturaleza.

En muchos casos, uno de los componentes no resulta prácticamente atacado y aparece así blanco brillante en la imagen que se observa, mientras que los otros, al ser atacados, quedan deprimidos respecto de la superficie, y la luz no puede ser reflejada por ellos, apareciendo así de color oscuro.

Cuando, como consecuencia del proceso de preparación de la probeta la capa de metal distorsionado es muy profunda, el ataque químico puede ser insuficiente para eliminarla.

Ello sucede pocas veces en los aceros, pero es muy común con materiales blandos como las aleaciones de aluminio. En esos casos conviene aplicar ataques químicos sucesivos durante la preparación mecánica de la muestra, ya que las operaciones de desbaste, y no sólo las de pulido, pueden provocar distorsiones que modifican la estructura del material.


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EL HIERRO

El hierro es un constituyente fundamental de algunas de las más importantes aleaciones de la ingeniería. El hierro es un metal alotrópico, por lo que puede existir en más de una estructura reticular dependiendo fundamentalmente de la temperatura.

Es uno de los metales más útiles debido a su gran abundancia en la corteza terrestre (constituyendo más del 5% de esta, aunque rara vez se encuentra en estado puro, lo más normal es hallarlo combinado con otros elementos en forma de óxidos, carbonatos o sulfuros) y a que se obtiene con gran facilidad y con una gran pureza comercial. Posee propiedades físicas y mecánicas muy apreciadas y de la más amplia variedad.

El hierro técnicamente puro, es decir, con menos de 0.008% de carbono, es un metal blanco azulado, dúctil y maleable, cuyo peso específico es 7.87.

Funde de 1536.5ºC a 1539ºC reblandeciéndose antes de llegar a esta temperatura, lo que permite forjarlo y moldearlo con facilidad. El hierro es un buen conductor de la electricidad y se imanta fácilmente.

FORMAS ALOTRÓPICAS DEL HIERRO

El hierro cristaliza en la variedad alfa hasta la temperatura de 768 ºC. La red espacial a la que pertenece es la red cúbica centrada en el cuerpo (BCC ). La distancia entre átomos es de 2.86 Å. El hierro alfa no disuelve prácticamente en carbono, no llegando al 0.008% a temperatura ambiente, teniendo como punto de máxima solubilidad a T = 723 ºC (0,02%).

La variedad beta existe de 768 ºC a 910 ºC. Cristalográficamente es igual a la alfa, y únicamente la distancia entre átomos es algo mayor: 2.9 Å a 800 ºC y 2.905 Å a 900 ºC.

La variedad gamma se presenta de 910 ºC a 1400 ºC. Cristaliza en la estructura FCC . El cubo de hierro gamma tiene más volumen que el de hierro alfa. El hierro gamma disuelve fácilmente en carbono, creciendo la solubilidad desde 0.85% a 723 ºC hasta 1.76% a 1130 ºC para decrecer hasta el 0.12% a 1487 ºC. Esta variedad de Fe es amagnético.

La variedad delta se inicia a los 1400 ºC, observándose, entonces una reducción en el parámetro hasta 2.93 Å, y un retorno a la estructura BCC . Su máxima solubilidad de carbono es 0.007% a 1487 ºC. Esta variedad es poco interesante desde el punto de vista industrial. A partir de 1537 ºC se inicia la fusión del Fe puro.

ALEACIONES HIERRO-CARBONO

El hierro puro apenas tiene aplicaciones industriales, pero formando aleaciones con el carbono (además de otros elementos), es el metal más utilizado en la industria moderna.

A la temperatura ambiente, salvo una pequeña parte disuelta en la ferrita, todo el carbono que contienen las aleaciones Fe-C está en forma de carburo de hierro (CFe3 ). Por eso, las aleaciones Fe-C se denominan también aleaciones hierro-carburo de hierro.

Las aleaciones con contenido de C comprendido entre 0.03% y 1.76% tienen características muy bien definidas y se denominan aceros.

Los aceros de cualquier proporción de carbono dentro de los límites citados pueden alearse con otros elementos, formando los denominados aceros aleados o aceros especiales. Algunos aceros aleados pueden contener excepcionalmente hasta el 2.5% de C.

Los aceros generalmente son forjables, y es ésta una cualidad muy importante que los distingue. Si la proporción de C es superior a 1.76% las aleaciones de Fe-C se denominan fundiciones, siendo la máxima proporción de C aleado del 6.67%, que corresponde a la cementita pura. Las fundiciones, en general, no son forjables.

Constituyentes del acero:

En las aleaciones Fe-C pueden encontrarse hasta once constituyentes diferentes, que se denominan: ferrita, cementita, perlita, austenita, martensita, troostita, sorbita, bainita, ledeburita, steadita y grafito.

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FERRITA 6

Aunque la ferrita es en realidad una solución sólida de carbono en hierro alfa, su solubilidad a la temperatura ambiente es tan pequeña que no llega a disolver ni un 0.008% de C. Es por esto que prácticamente se considera la ferrita como hierro alfa puro.

La ferrita es el más blando y dúctil constituyente de los aceros. Cristaliza en una estructura BCC . Tiene una dureza de 95 Vickers, y una resistencia a la rotura de 28 Kg/mm2 , llegando a un alargamiento del 35 al 40%. Además de todas estas características, presenta propiedades magnéticas. En los aceros aleados, la ferrita suele contener Ni, Mn, Cu, Si, Al en disolución sólida sustitucional.

Al microscopio aparece como granos monofásicos, con límites de grano más irregulares que la austenita. El motivo de esto es que la ferrita se ha formado en una transformación en estado sólido, mientras que la austenita, procede de la solidificación.

La ferrita en la naturaleza aparece como elemento proeutectoide que acompaña a la perlitaen:

- Cristales mezclados con los de perlita (0.55% C)

- Formando una red o malla que limita los granos de perlita (0.55% a 0.85% de C)

- Formando agujas en dirección de los planos cristalográficos de la austenita.

CEMENTITAEs carburo de hierro y por tanto su composición es de 6.67% de C y 93.33% de Fe en peso. Es el

constituyente más duro y frágil de los aceros, alcanzando una dureza de 960 Vickers. Cristaliza formando un paralelepípedo ortorrómbico de gran tamaño. Es magnética hasta los 210ºC, temperatura a partir de la cual pierde sus propiedades magnéticas.

Aparece como:

- Cementita proeutectoide, en aceros hipereutectoides, formando un red que envuelve a los granos perlíticos.

- Componente de la perlita laminar.

- Componente de los glóbulos en perlita laminar.

- Cementita alargada (terciaria) en las uniones de los granos (0.25% de C)

PERLITAEs un constituyente compuesto por el 86.5% de ferrita y el 13.5% de cementita, es decir, hay 6.4 partes

de ferrita y 1 de cementita.

La perlita tiene una dureza de aproximadamente 200 Vickers, con una resistencia a la rotura de 80 Kg/mm2 y un alargamiento del 15%. Cada grano de perlita está formado por láminas o placas alternadas de cementita y ferrita.

Esta estructura laminar se observa en la perlita formada por enfriamiento muy lento. Si el enfriamiento es muy brusco, la estructura es más borrosa y se denomina perlita sorbítica. Si la perlita laminar se calienta durante algún tiempo a una temperatura inferior a la crítica (723 ºC), la cementita adopta la forma de glóbulos incrustados en la masa de ferrita, recibiendo entonces la denominación de perlita globular.

AUSTENITAEste es el constituyente más denso de los aceros, y está formado por la solución sólida, por inserción, de

carbono en hierro gamma. La proporción de C disuelto varía desde el 0 al 1.76%, correspondiendo este último porcentaje de máxima solubilidad a la temperatura de 1130 ºC.

La austenita en los aceros al carbono, es decir, si ningún otro elemento aleado, empieza a formarse a la temperatura de 723 ºC. También puede obtenerse una estructura austenítica en los aceros a temperatura ambiente, enfriando muy rápidamente una probeta de acero de alto contenido de C a partir de una temperatura por encima de la crítica, pero este tipo de austenita no es estable, y con el tiempo se transforma en ferrita y perlita o bien cementita y perlita.

Excepcionalmente, hay algunos aceros al cromo-níquel denominados austeníticos, cuya estructura es austenítica a la temperatura ambiente. La austenita está formada por cristales cúbicos de hierro gamma con los átomos de carbono intercalados en las aristas y en el centro.

La austenita tiene una dureza de 305 Vickers, una resistencia de 100 Kg/mm2 y un alargamiento de un 30 %. No presenta propiedades magnéticas.


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MARTENSITA 7

Bajo velocidades de enfriamiento bajas o moderadas, los átomos de C pueden difundirse hacía afuera de la estructura austenítica.

De este modo, los átomos de Fe se mueven ligeramente para convertir su estructura en una tipo BCC . Esta transformación gamma-alfa tiene lugar mediante un proceso de nucleación y crecimiento dependiente del tiempo (si aumentamos la velocidad de enfriamiento no habrá tiempo suficiente para que el carbono se difunda en la solución y, aunque tiene lugar algún movimiento local de los átomos de Fe, la estructura resultante no podrá llagar a ser BCC, ya que el carbono está "atrapado" en la solución).

La estructura resultante denominada martensita, es una solución sólida sobresaturada de carbono atrapado en una estructura tetragonal centrada en el cuerpo. Esta estructura reticular altamente distorsionada es la principal razón para la alta dureza de la martensita, ya que como los átomos en la martensita están empaquetados con una densidad menor que en la austenita, entonces durante la transformación (que nos lleva a la martensita) ocurre una expansión que produce altos esfuerzos localizados que dan como resultado la deformación plástica de la matriz.

Después de la cementita es el constituyente más duro de los aceros. La martensita se presenta en forma de agujas y cristaliza en la red tetragonal. La proporción de carbono en la martensita no es constante, sino que varía hasta un máximo de 0.89% aumentando su dureza, resistencia mecánica y fragilidad con el contenido de carbono.

Su dureza está en torno a 540 Vickers, y su resistencia mecánica varía de 175 a 250 Kg/mm2 y su alargamiento es del orden del 2.5 al 0.5%. Además es magnética.

BAINITA

Se forma la bainita en la transformación isoterma de la austenita, en un rango de temperaturas de 250 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.

LEDEBURITA

La ledeburita no es un constituyente de los aceros, sino de las fundiciones. Se encuentra en las aleaciones Fe-C cuando el porcentaje de carbono en hierro aleado es superior al 25%, es decir, un contenido total de 1.76% de carbono.

La ledeburita se forma al enfriar una fundición líquida de carbono (de composición alrededor del 4.3% de C) desde 1130 ºC, siendo estable hasta 723 ºC, decomponiéndose a partir de esta temperatura en ferrita y cementita

DIAGRAMA DE EQUILIBRIO DE LAS ALEACIONES HIERRO-CARBONO.

La temperatura a que tienen lugar los cambios alotrópicos en el hierro estará influida por los elementos que forman parte de la aleación, de los cuales el más importante es el carbono. La figura que mostramos a continuación muestra la porción de interés del sistema de aleación Fe-C. Contiene la parte entre Fe puro y un compuesto intersticial, llamado carburo de hierro, que contiene un 6.67% de C en peso. Esta porción se llamará diagrama de equilibrio hierro-carburo de hierro.

Antes de estudiar este diagrama es importante notar que no se trata de un verdadero diagrama de equilibrio, pues un verdadero equilibrio implicaría que no hubiera cambio de fase con el tiempo. Sin embargo, es un hecho que el compuesto carburo de hierro se descompondrá de una manera muy lenta en hierro y carbono (grafito), lo cual requerirá un período de tiempo muy largo a temperatura ambiente. El carburo de hierro se dice entonces metaestable; por tanto, el diagrama hierro-carburo de hierro, aunque técnicamente representa condiciones metaestables, puede considerarse como representante de cambios en equilibrio, bajo condiciones de calentamiento y enfriamiento relativamente lentas.

El diagrama muestra tres líneas horizontales que indican reacciones isotérmicas. La solución sólida se llama austenita. La segunda figura muestra ampliada la porción del diagrama de la esquina superior izquierda. Esta se conoce como región delta, debido a la solución sólida.

A 1493 ºC se encuentra una línea horizontal que nos marca la reacción peritéctica. Dicha reacción responde a la ecuación:

Líquido + ⇒ Austenita(enfriamiento) (calentamiento)


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La solubilidad máxima del carbono en Fe (BCC ) es de 0.10% (punto M), mientras que en Fe (FCC) es mucho mayor.

La presencia de carbono influye en el cambio alotrópico. Conforme crece la proporción de C, la temperatura del cambio alotrópico aumenta de 1401 a 1493 ºC al 0.10% de C. Considérese el significado de la línea NMPB.

Al enfriar, la línea NM, representa la frontera del cambio de estructura cristalina de Fe (BCC) a Fe (FCC) para aleaciones que contienen menos del 0.10% de C.

La línea MP representa la frontera del cambio de estructura cristalina por medio de la reacción peritéctica para aleaciones entre 0.10 y 0.18% de C.

Para aleaciones que contienen menos del 0.18% de C, al enfriar, el final del cambio de estructura está dado por la línea NP.

La línea PB representa el inicio y el fin de la reacción peritéctica para composiciones entre 0.18 y 0.5% de C.

En otras palabras, para aleaciones entre 0.18 y 0.50% de C, el cambio alotrópico empieza y termina a temperatura constante.

Nótese que cualquier aleación que contenga más de 0.5% de C solidificará en austenita directamente (a la derecha del punto B).

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L + d1537

1493 d

1401 g+d

g

ºC

G

Tem

pera

tur

a

907g+a

JH

a0.025

%C

0 0.8

Liquido

g + L L + Fe3CEC D

1130 ºC Eutectico

g + Fe3C

722 ºC K

Eutectoide

a + Fe3C

2 3 4 4.3 5 6 6.67

Fe3CPorcentaje de Carbono por peso


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En el diagrama de más abajo se muestra la reacción eutéctica. El punto E del diagrama, es el punto eutéctico, de composición 4.3% de C y que ocurre a 1130 ºC.

La línea horizontal CED representa la reacción eutéctica. Cuando una determinada aleación cruce esta línea, la parte líquida que la compone debe solidificar en la mezcla de las dos fases que estén en ambos extremos de la línea horizontal: austenita y carburo de hierro (llamada cementita) en este caso.

Esta mezcla eutéctica, como ya explicamos, se llama ledeburita, y la ecuación puede escribirse como:

Líquido ⇒ Austenita + Cementita (enfriamiento) (calentamiento)

La microestructura de esta mezcla eutéctica generalmente no resulta visible debido a que la austenita no es estable a temperatura ambiente y sufre varias reacciones durante el enfriamiento.

A1537

Liquido

L + d

ºC

0.10%C0.50%CP

Tem

pera

tura 1493 M

Bd a

ti

n 0.18et

su %C

a L + austenita+d

austenita

1401 N

Se puede observar que a 907 ºC ocurre un cambio de estructura cristalina de Fe puro (FCC) a (BCC ). El pequeño área a la izquierda de la línea GH, es una solución sólida de una pequeña cantidad de carbono disuelto en Fe (BCC), y se llama ferrita.

El diagrama muestra una tercera línea horizontal HJK, que representa la reacción eutectoide. El punto eutectoide, J, está situado a 0.80% de C y a 722 ºC. Cualquier porción de austenita presente se transformará en una fina mezcla eutectoide de ferrita y cementita, llamada perlita.

La ecuación que describe la reacción eutectoide es:

Líquido ⇒ Ferrita + Cementita (enfriamiento)

(calentamiento)

Por debajo de la línea eutectoide, la aleación consistirá en una mezcla de ferrita y cementita conforme indica el diagrama. Si se toma como base el contenido de carbono, es práctica común dividir el diagrama hierro-carburo en dos partes: aquellas aleaciones que contienen menos del 2% de carbono se conocen como aceros, y aquellas que contienen más del 2% se conocen como hierros fundidos.

El intervalo de aceros se subdivide aún más en base al contenido de carbono eutectoide (0.8% de C). Así, los aceros que contienen menos del 0.8% de C se llaman aceros hipoeutectoides, en tanto que los que tienen entre 0.8 y 2% de C se llaman hipereutectoides. El intervalo de hierros fundidos también puede subdividirse por el contenido de carbono eutéctico (4.3% de C). De esta forma tenemos que los hierros fundidos con composición de C < 4.3%, se conocen como hierros fundidos hipoeutécticos, y de la misma manera por oposición, existen los hipereutécticos.


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1537

1401

L +L + Austenita CementitaEC DAustenitaºC 1130 ºC Eutéctico

(Ledeburita)

Tem

pera

tura

Aust + Fer Austenita + CementitaG907

J 722 ºC KH

Eutéctico(Perlita)Ferrita

Ferrita + Cementita

0 0.8 2 4.3 6.67Fe 3CHipoeu- Hipereu-

Hipoeutéctico Hipereutécticotectoides tectoidesHierros fundidosAceros

Porcentaje de Carbono por peso

907

722

722 ºC


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PROCESO DE ENFRIAMIENTO LENTO DEL ACERO. 11

Estudiaremos los cambios que se producen en la región de los aceros, cuando sometemos al sistema a procesos de enfriamiento lento desde una estructura austenítica inicial. A partir de la figura 7.10 tenemos una muestra de acero hipoeutectoide que contiene 0.2% de C. En el intervalo austenítico, la aleación consiste en una solución sólida intersticial uniforme. Cada grano contiene 0.2% de C disuelto en los espacios de la estructura reticular de hierro FCC.

Al enfriarse lentamente no sucede nada destacable hasta que la línea GJ se intercepta en el punto X1. Esta línea se conoce como línea de temperatura crítica superior del lado hipoeutectoide, y se designa como A3. El cambio alotrópico de Fe FCC a Fe BCC tiene lugar a 907ºC para Fe puro y disminuye en temperatura con el aumento del contenido de carbono, como lo muestra la línea A3; por tanto, en X1, la ferrita debe empezar a formarse en las frontera de grano de la austenita. Como la ferrita puede disolver muy poco carbono, en aquellas áreas que cambien a ferrita, el carbono debe salir de la solución antes de que los átomos se reajusten por sí mismos a la estructura BCC. El carbono que sale de la solución es disuelto en la austenita restante, así que, conforme el enfriamiento avanza y la cantidad de ferrita aumenta, la austenita restante se hace más rica en carbono. El contenido en carbono se desplaza gradualmente a lo largo de línea A3.

Finalmente, la línea HJ se alcanza en el punto X2. Esta línea se conoce como línea de temperatura crítica inferior en el lado hipoeutectoide y se designa como A1. La línea A1 es la de temperatura eutectoide y constituye la mínima temperatura a la que puede existir el hierro FCC bajo condiciones de equilibrio. Precisamente por encima de línea A1, la microestructura consta de aproximadamente 25% de austenita y 75% de ferrita. Toda la austenita presente (que contiene el 0.8% de C) experimenta ahora la reacción eutectoide expuesta anteriormente. Darse cuenta que la austenita cambia al interceptarse la línea A1; por tanto cuando la reacción se ha completado, la microestructura final mostrará aproximadamente un 25% de perlita y un 75% de ferrita.

Vamos a considerar la reacción eutectoide con más detalle. La austenita cambia a ferrita y esta es una solución sólida intersticial en la que cada grano disuelve 0.8% de C en Fe FCC ; sin embargo la ferrita es Fe BCC y disuelve muy poco carbono, de modo que el cambio de estructura cristalina no puede ocurrir hasta que los átomos de carbono salgan de la solución. Por tanto, el primer paso es precipitar los átomos de carbono para formar placas de cementita (carburo de hierro). En el área adyacente a la placa de cementita, el hierro se vacía de carbono y los átomos se reagrupan por sí mismos para formar ferrita BCC . A cada lado de la placa de cementita se forman delgadas capas de ferrita.

El proceso continua con la formación de capas alternas de cementita y ferrita para la mezcla en forma de huella dactilar conocida como perlita. La reacción generalmente comienza en la frontera de grano de austenita, con la perlita creciendo a lo largo de la frontera y dentro del grano.

Los cambios descritos serían similares para cualquier acero hipoeutectoide, la única diferencia estaría en la cantidad relativa de ferrita y perlita. De esta forma, cuanto más próximos nos hallemos de la composición eutectoide (0.8% de C), más perlita tendremos en la microestructura.

Así, la microestructura de un acero al 0.4% de C lentamente enfriado muestra aproximadamente un 50% de perlita, en tanto que la composición eutectoide (0.8% de C) muestra un 100% de perlita.

Las propiedades mecánicas de una aleación dependen de las características individuales de cada una de las fases que la componen y de la forma en que estas últimas estén ordenadas para formar la estructura. Sabemos que la ferrita es relativamente suave, con baja resistencia tensil, en tanto que la cementita es dura, con muy baja resistencia tensil.

Podremos deducir pues, que la combinación de estas dos fases en la forma eutectoide (perlita), producirá una aleación de resistencia tensil mucho mayor que la de cualquiera de las fases individuales. Como la cantidad de perlita aumenta con un incremento en el contenido de carbono para aceros hipoeutectoides, la resistencia y la dureza Brinell también aumentará hasta la composición eutectoide. La ductilidad, expresada por el porcentaje de elongación y reducción de área, y la resistencia al impacto disminuyen al aumentar el contenido de carbono.


PROF.:



16-metalografia

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