6. aceros

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ConceptosConceptosFase cristalina, homogénea y sólida quecontiene dos o más especies químicas.Mezcla homogénea de dos o más elementosque forman una sola fase en estado sólido.

Una porción homogénea de un sistema quetiene características físicas y químicasuniformes.

(i) Uno de los elementos que constituyen unsistema químico. (ii) una combinación defases que poseen una configuracióncaracterística en la microestructura de unaaleación.

AcerosAceros

Aleaciones FeAleaciones Fe

Acero es una aleación Fe y C, y también puede contener otros elementos aleantes.

• Forman una solución sólida intersticial• Carbono, nitrógeno, hidrógeno, oxígeno

Aleaciones intersticiales

• Forman una solución sólida sustitucional

• Manganeso

Aleaciones sustitucionales

Fe-δ

Parámetros de la celda:

0.286 nm BCC0.364 nm FCC

Fe-γ

Fe-α

Transformaciones alotrópicas del hierro

��

��

1538-1394°C

1394-912°C

Tª < 912ºC

Sitios intersticiales en el sistema cúbico compacto (FCC)Sitios intersticiales en el sistema cúbico compacto (FCC)Diagrama FeDiagrama Fe--CC

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Diagrama FeDiagrama Fe-- FeFe33CC

• A0:Temperatura de Curie de la Cementita (230ºC)

• A1:T°Transformación eutectoide (723ºC) A1: <0.77 A1.3 : > 0.77

• A2: Temperatura de Curie Fe α (770ºC)

• A3: Línea que separa las regiones de γ y γ+α (depende %C)

• Acm: Línea que separa las regiones de γ y γ + cm(depende %C)

Temperaturas críticas

Diagrama FeDiagrama Fe--CemetitaCemetita

Metalografía de los acerosMetalografía de los aceros

�Microestructuras de equilibrio Principales fases y Principales fases y microcontituyentesmicrocontituyentesde los aceros en el de los aceros en el diagrama Fediagrama Fe--Fe3CFe3C

Ferrita

Austenita Cementita

Perlita

Ferrita (α)

Sol sol intersticial de C en Fe α (BCC)

Máx sol C a 723°C = 0,025%C en peso, disminuyendo hasta 0,008%C a T amb

Resistencia tensil 40000 psi,

dureza < 90HRB (0 HRC)

Estructura más suave del diagrama, dúctil(elongación 40% en 2”) y ferromagnética

No se colorea por los ácidos comunes y en el microscopio óptico se ve blanca. Granos equiaxiales.

Austenita(γ)

Sol sol intersticial de C en Fe γ (FCC)

Máx sol C a 1148°C = 2%C,

Resistencia tensil 150000 psi,

dureza > escala HRB : (40 HRC)

Dúctil, pero menos que la ferrita(elongación 10% en 2”).PARAMAGNÉTICA

No se observa a T ° ambiente en aceros al C, y en condiciones de equilibrio . Sólo se forma bajo ciertas condiciones. Granos con limites más angulares y presencia de maclas.

Su transformación es importante en TT de los aceros

Adición de Ni,Mn, estabilizan la austenita a bajas temperaturas (se encuentra a T ambiente)

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Cementita

Carburo de hierro (Fe3C) Contiene 6.67% en peso de C.

Compuesto intersticial. Estructura ortorrómbica

Resistencia tensíl aprox. 5000 psi, altaresistencia a la compresión.

Estructura MÁS DURA del diagrama y esfrágil.

En microscopía óptica se observa ligeramente grisácea (En esta micrografía está en los límites de grano.

Perlita Producto de la reacción eutectoide que contiene 0.8% en peso en C.

Láminas intercaladas de ferrita y cementita (tipo huella dactilar).

Resistencia tensil aprox. 120.000 psi.

Dureza : 20 HRC: 95-100 HRB.

Elongación 20% en 2”. Más dura yresistente que la ferrita y más blanda que lacementita.

Perlita: Matriz ferrita (blanca) contiene laminas de cementita

(grisácea).

PP mecánicas intermedias entre las fases que la constituyen. Espaciamiento entre láminas determina las propiedad es mecánicas ..

17000 X

α

Perlita

400xLos reactivos (NITAL) oscurecen la perlita

Aceros al carbono

Aceros

Hipoeutectoides

Aceros

Eutectoides

Aceros

hipereutectoides

Las aleaciones de Fe y C con contenido en carbono inferior al 2 %

Aceros

Menos del 0,8 % C.

Ferrita y perlita

Al aumentar el contenido de carbono del acero hipoeutectoide, la proporción de los granos ferríticos va disminuyendo, al tiempo que aumenta la proporción de constituyente eutectoide, la perlita.

Aumenta el porcentaje de C

Perlita

Ferrita

aceros al carbonoaceros al carbono

γγγγ γγγγ

γγγγγγγγ

Acero hipoeutectoide: ferrita + perlita

Estructuras de equilibrio

X 100X 500

FerritaEquiaxiales

Perlita

Aceros al carbono

Aceros

Hipoeutectoides

Aceros

Eutectoides

Aceros

hipereutectoides

Las aleaciones de Fe-Fe3C con contenido en carbono inferior al 2,11 %

Aceros

Menos del 0,8 % C.

Ferrita y perlita

0,8 % C.

Perlita

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γγγγ γγγγ

γγγγγγγγ

Eutectoide: perlita


aceros al carbonoaceros al carbono

Aceros al carbono

Aceros

Hipoeutectoides

Aceros

Eutectoides

Aceros

hipereutectoides

Las aleaciones de Fe-Fe3C con contenido en carbono inferior al 2,0 %

Aceros

Menos del 0,8 % C. 0,8 % C.

PerlitaGranos de perlita rodeados por una red de cementita

Ferrita y perlita

0,8 -2,0 % CIndustriales <1.5%

γγγγ γγγγ

γγγγγγγγ

Hipereutectoide: cementita + perlita


X 100X 500

aceros al carbonoaceros al carbono Relación entre microestructura y propiedades en Relación entre microestructura y propiedades en los aceros al carbonolos aceros al carbono

En función del %C cambia la microestructura y cambian las propiedades

� Resistencia a tracción hasta 0,8%C

�Alargamiento hasta 0,8%C

� Dureza

Carrocerías de coche Alambres

Tornillos Aceros estructurales

Destornilladores Piñones

Cuchillas Cortafríos

Brocas Matrices

Sierras Navajas

Efecto del carbono

AcerosAceros Contenido en C

Bajo carbono

Medio carbono

Alto carbono

0,2-0,5%C<0,2%C >0,5%C

0,2% C 0,4% C 0,8% C

AcerosAceros Contenido en C

Bajo carbono

Medio carbono

Alto carbono

0,2-0,5%C<0,2%C >0,5%CSe deforman fácilmente, son tenaces, blandos, no tienen resistencia al desgaste.

Usos: Defensas y carrocerías de automóviles, (0.05%C)Vigas, placas, canales y ángulos (0.15 y 0.25%)

Son los más usados para la construcción de equipos.>0.3%C � TT

Usos: Industria de automóviles: ejes o árboles, pernos, cigüeñales. Ruedas dentadas (Dureza y R. desgaste � 0.5%C

Endurecen por TT. Baja ductilidad y alta dureza.

Usos: Punzones, matrices, cortafríos, herramientas de corte, serruchos

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Metalografía de los acerosMetalografía de los aceros

�Microestructuras fuera del equilibrio

Diagrama Fe-Fe3C

Posibles microestructurasque se pueden obtener

variando Fe-C. (equilibrio) Proceso muy muy lento

Condiciones fuera del equilibrio: (enfriamientos a diferentes velocidades)

Microestructuras diferentes (Bainita, martensita)

Amplía el rango de propiedades mecánicas del acero

Selección de un acero determinado y un adecuado Selección de un acero determinado y un adecuado tratamiento térmicotratamiento térmico

Tratamiento térmico

Tº

t

¿Porqué cambian las propiedades mecánicas?

Sólido

� Propiedadesdeterminadas

El control de la microestructura permite

producir metales y aleaciones con propiedades adecuadas para las distintas aplicaciones.

TT Aceros Transformación o descomposición de la γ

Transformaciones de fase en estado sólido

(Cambia el tipo de fase y su número)

TiposTransformación eutectoide: γγγγ (FCC) � αααα (BCC) + Fe3C

DifusiónDifusiónSi

No

Transformaciones de fase en estado sólido

(Cambia el tipo de fase y su número)

Tipos

DifusionalCon cambio de composición Reacc. eutectoide

Adifusional Transf. martensítica

Sin cambio de composición Transf. Alotrópica Fe

Nucleación Crecimiento

Etapas

Las transformaciones en estado sólido que implican difusión no

transcurren instantáneamente: dependen de T y t.

t

T

γγγγ

Grano

Imperfecciones

Límite de grano

Difusionales

Estado sólido:Átomos se encuentan en posiciones fijas dentro de una red cristalina y con capacidad de movimiento muy reducida

t, Tº

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C migra

Reordenamiento atómico

0.0 0.5 1.00

100

200

300

400

500

600

700

800

Tem

pera

tura

(ºC

)

C (% peso)

α + Fe3C

γ900

Transformación PERLÍTICA: DIFUSIONAL

αααα + Fe3C

PERLITA

Transformaciones de fase en estado sólido en aceros

Enfriamiento muy muy lento

αααα + Fe3C

PERLITA

αααα + Fe3C

BAINITA

BCTsobresaturada

MARTENSITA

Transformación MARTENSÍTICA: ADIFUSIONAL

T T T

Martensita

En su formación NO HAY DIFUSIÓN. Se forma por deformación de la estructura.

Sol. sólida sobresaturada de C atrapado en una estructura tetragonal centrada en el cuerpo (BCT)

Fase de alta dureza (RC)

Magnética

Forma acicular (agujas)

BainitaSu formación muestra características tanto de la formación por difusión de la perlita como de la no difusionalmartensita

Constituyente de ferrita +cementita

Forma plumosa o acicular dependiendo de la temperatura de transformación.

Detalles microestructurales son muy finosy para resolverlos se usa el SEM

Estructura Propiedades

Los aceros perlíticos son blandos y dúctilesPerlítica

Los aceros más duros y resistentes, pero a la vez son los más frágiles. Su ductilidad es prácticamente nula.

Martensítica

Los aceros bainíticos son más duros y resistentes que los perlíticos al tratarse de una microestructura más fina. Conveniente combinación de resistencia y ductilidad.

Bainítica

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Tratamientos térmicos en aceros Operaciones de calentamiento, mantenimiento y enfriamiento de un metal o aleación en su estado sólido a temperaturas y condiciones determinadas para cambiar sus propiedades mecánicas.

Tomado de http://www.bakereng.ca/workshop.html

TRATAMIENTOS QUE AFECTAN SOLAMENTE LA SUPERFICIE

Temple superficial, tratamientos termoquímicos (Cementación, nitruración, carbonitruración…)

RECOCIDORECOCIDO NORMALIZADONORMALIZADO

TEMPLETEMPLE REVENIDOREVENIDO

Afectan toda Afectan toda la masala masa

Recocido

Objetivos : “ablandar” el acero, regenerar la estructura o eliminar tensiones.

• Estructura homogénea y de afino de grano � Recocido de regeneración

• Reducir la dureza para fácil mecanización � Recocido de ablandamiento

• Mejorar la deformabilidad � Recocido contra acritud

• Eliminar tensiones � Recocido de atenuación de tensiones

tiempo

tem

pera

tura

v cal

Tª max y t permanencia

venf

tiempo

tem

pera

tura

tiempo

tem

pera

tura

v cal


venf

Calentamiento, mantenimiento y enfriamiento en el horno (lento)

Las fases constituyentes del eutectoide obtenido (perlita) se presentan en láminas gruesas espaciadas, que al microscopio óptico se resuelven bien.Los contornos de la ferrita son suaves.

Recocido

AMIGO BORRAS, Vicente y otros. Curso de metalografía básica [Recurso electrónico]. Universidad Politécnica de valencia 2003.

NormalizadoNormalizado

Objetivos. Dejar las piezas con las propiedades consideradas normales.

tiempo

tem

pera

tura

v cal


venf

tiempo

tem

pera

tura

tiempo

tem

pera

tura

v cal


venf

Calentamiento, mantenimiento y enfriamiento al aire

Las fases constituyentes del eutectoide obtenido (perlita) se presentan en láminas finas con poco espaciamiento, que al microscopio óptico no se resuelven bien. Los contornos de la ferrita son angulares.

NormalizadoNormalizado


Acero con 0,8%C, laminado en caliente, calentado a 800°C durante 1 h

Enfriado en el horno Enfriado al aire

Estructura más fina:Material ligeramente más duro yresistente que el recocido

Las fases constituyentes del eutectoide obtenido (perlita) se presentan en láminas gruesas espaciadas, que al microscopio óptico se resuelven bien.

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TEMPLETEMPLE

Objetivos. Endurecer y aumentar resistencia (martensita).

tiempo

tem

pera

tura

v cal


venf

tiempo

tem

pera

tura

tiempo

tem

pera

tura

v cal


venf

Calentamiento, mantenimiento y enfriamiento rápido (agua, aceite….)

Templabilidad.Capacidad del acero de adquirir dureza por el temple y hacer que esa dureza penetre el interior de la pieza

TEMPLETEMPLE

Microestructura acicular, muy dura y frágil.AMIGO BORRAS, Vicente y otros. Curso de metalografía básica [Recurso electrónico]. Universidad Politécnica de valencia 2003.

Nomarski intereference micrograph showing the surface displacements accompanying martensitic transformation

REVENIDOREVENIDO

Calentamiento, de aceros templados, a bajas temperaturas (por debajo de la Tº eutectoide) y enfriamiento al aire

Objetivo: Se aplica a aceros templados para eliminar tensiones internas producidas con éste tratamiento.

La dureza y resistencia mecánica a la tensión disminuyen, mientras que la ductilidad y la resistencia al impacto mejoran.

TRATAMIENTOS QUE AFECTAN TODA LA MASA DEL MATERIAL

T

t

Temperatura de austenización

Temperatura de revenido

Martensita revenidaMartensita

Temple + revenido = Bonificado

Acero con 0,3 %C calentado a 870°C durante 1 h

Templado en agua

Templado y revenido a 600°C 2h

Templado y revenido a 600°C 4 días

La sobresaturación deforma la red, creando tensiones que determinan su dureza

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Objetivo: Endurecer superficialmente

Temples superficiales– Llama– Inducción

Tratamientos termoquímicos– Cementación (sólida)– Cianuración (líquida)– Carbonitruración (gaseosa)– Nitruración (gaseosa)

TRATAMIENTOS SUPERFICIALES CEMENTACIÓN

Tomado de Sidney, Avner. Introducción a la metalurgia física (1988)

Tomado de Askeland, D. Ciencia e Ingeniería de los Materiales, 3ra

ed. ITH (1998)

EjercicioEjercicio� Hacer una tabla en la que especifíquen las principales diferencias microestructurales y PP mec. de dos aceros, con la misma composición , sometidos, uno a TT de normalizado y otro a TT de recocido.

Tratamiento Microestructra Propiedades mecánicas

Perlita Ferrita

Normalizado

Recocido

Otras estructuras de los acerosOtras estructuras de los aceros

Transformaciones en el estado sólidoTransformaciones en el estado sólidoTransformación Transformación γ⇨αγ⇨α

Ferrita

Alotriomórfica

Idiomórfica

Widmanstatten

Masiva

Transformación Transformación γ⇨αγ⇨α

Ferrita alotriomórfica

Ferrita idiomórfica

Ferrita Widmanstätten

Implican difusión

Implican Deformación de la red.No hay difusión

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Grain boundary Grain boundary allotriomophallotriomoph of ferrite, and of ferrite, and intragranularintragranular idiomorphidiomorph..

1. Ferrita 1. Ferrita alotriomórficaalotriomórfica� Tiende a nuclear sobre la superficie de los límites de grano de la

austenita, formando capas que siguen los contornos de los limites de grano.

0.34wt% C steel,12min at 790°C. Grain boundary allotriomorphs of ferrite

2. Ferrita 2. Ferrita idiomórficaidiomórfica� Cristales equiaxiales que nuclean dentro de los granos de austenita.

� Se forman usualmente sobre las inclusiones no metálicas presentes en el acero.

0.34wt% C steel, 12 min at 790◦C. Grain boundary allotriomorphs and intragranular idiomorphs of

ferrite.

3. Ferrita 3. Ferrita WidmanstWidmanstättenätten

� Placas que crecen a lo largo de planos bien definidos de la austenita.� No cruzan los limites de grano� Primaria: Crece directamente desde la superficie de los granos de austenita.� Secundaria: Se desarrolla a partir de la ferrita alotriomórfica ya existente

Un enfriamiento rápido desde altas temperaturas obliga a un crecimiento de la ferrita según ciertas direcciones preferenciales, resultando granos alargados en dichas direcciones.

Mixture of Mixture of allotriomorphicallotriomorphic ferrite, ferrite, WidmanstättenWidmanstätten ferrite and ferrite and pearlitepearlite. . Micrograph courtesy of Micrograph courtesy of DoItPomsDoItPoms project.project.

5. 5. MecanismoMecanismo de de laslas transformacionestransformacionesde de fasefase

• Envuelve mezcla de los átomos en cualquier interface entre la fase producto y la fase madre por difusión

Transformaciónreconstructiva

• Envuelve movimiento coordinado de los átomos en la fase madre para cambiar la estructura cristalina

Transformación por

desplazamiento

(Displacive)

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ResumenResumen

(Adapted from H.K.D.H. Bhadeshia, Bainite in Steels, 2nd ed., the Institute of Materials, London, 2001

Clasificación de la evolución microestructural del acero durante operaciones de calentamiento y enfriamiento basadas en el

mecanismo de transformación

Reconstructiva

Ferrita alotriomórfica

Ferrita idiomórfica

Ferrita masiva

Perlita. Crecimientocooperativo de ferrita ycementita

Formación de austenita.Austenización completa

(Displacive) De desplazamiento

Ferrita Widmanstatten

Bainita. Difusión de carbono durante nucleación. No hay difusión durante el crecimiento

Martensita.No hay difusión

Difusión y mezcla de todos los átomos durante la nucleación y crecimiento lento

No hay difusión de Fe o elementos sustitucionales. Hay deformación y forman placas o láminas delgadas

BibliografíaBibliografía

http://www.msm.cam.ac.uk/phase-trans/2008/Steel_Microstructure/SM.html


GIL MUR, Francisco José y otros. Metalografía. Ediciones UPC. 2005

AVNER. Metalurgia física.

6. aceros

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