determinación de la influencia del contenido de carbono en las fases de los aceros
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Determinación de La Influencia Del Contenido de Carbono en Las Fases de Los AcerosTRANSCRIPT
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PRACTICA DE LABORATORIO N° 3: DETERMINACIÓN DE LA INFLUENCIA
DEL CONTENIDO DE CARBONO EN LAS FASES DE LOS ACEROS
DIEGO NICOLÁS ARÉVALO BUITRAGO
KENNY ANDREA CALDERÓN OROZCO
UNIVERSIDAD PEDAGÓGICA Y TECNOLÓGICA DE COLOMBIA
LABORATORIO DE SOLIDIFICACIÓN Y TRANSFORMACIONES DE FASE
TUNJA
2014
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PRACTICA DE LABORATORIO N° 3: DETERMINACIÓN DE LA INFLUENCIA
DEL CONTENIDO DE CARBONO EN LAS FASES DE LOS ACEROS
Presentado por:
DIEGO NICOLÁS ARÉVALO BUITRAGO
KENNY ANDREA CALDERÓN OROZCO
Presentado a:
Ing. Msc. MÓNICA ISABEL MELGAREJO RINCÓN
UNIVERSIDAD PEDAGÓGICA Y TECNOLÓGICA DE COLOMBIA
LABORATORIO DE SOLIDIFICACIÓN Y TRANSFORMACIONES DE FASE
TUNJA
2014
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Tabla de contenido
1. PRELABORATORIO ............................................................................................................................4
2. INFORME ..........................................................................................................................................6
2.1. MICROGRAFÍAS TOMADAS .......................................................................................................6
2.2. TAMAÑO DE GRANO .............................................................................................................. 11
2.2.1. Acero 1010 ...................................................................................................................... 11
2.2.2. Acero 1045 ...................................................................................................................... 13
2.2.3. Acero O1 ......................................................................................................................... 14
2.3. FASES PRESENTES ................................................................................................................... 15
2.3.1. Acero 1010 ...................................................................................................................... 15
2.3.2. Acero 1045 ...................................................................................................................... 17
2.3.3. Acero O1 ......................................................................................................................... 19
2.4. PROMEDIO DE DUREZAS ........................................................................................................ 22
2.4.1. Acero 1010 ...................................................................................................................... 22
2.4.1. Acero 1045 ...................................................................................................................... 22
2.4.1. Acero O1 ......................................................................................................................... 23
2.5. ANÁLISIS DE RESULTADOS ..................................................................................................... 24
2.5.1. Acero 1010 ...................................................................................................................... 24
2.5.2. Acero 1045 ...................................................................................................................... 25
2.5.3. Acero O1 ......................................................................................................................... 26
2.6. CONCLUSIONES ...................................................................................................................... 27
2.7. BIBLIOGRAFÍA ......................................................................................................................... 28
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1. PRELABORATORIO
1. Investigue las propiedades y características de los aceros de bajo,
medio y alto carbono.
Acero bajo carbono
Conocido también como acero dulce. Estos aceros contienen menos del
0.25% C, no adquieren dureza sensible con un temple. Tiene una resistencia
mecánica de 48-55 kg/mm2 y una dureza de 135-160 HB; debido a esto su
deformidad es mínima Se puede soldar con una técnica adecuada. Son los
aceros más ampliamente usados; ya que son relativamente fáciles de formar.
Acero medio carbono
El porcentaje de carbono se encuentra entre 0,25% y 0.5%. Tiene una
resistencia mecánica de 62-70 kg/mm2 y una dureza de 180 HB y una
densidad 7.87 g/cm3. Se templa bien, alcanzando una resistencia de 90
kg/mm2, aunque hay que tener en cuenta las deformaciones.
Es un acero utilizado cuando la resistencia y dureza son necesarias en
condición de suministro. Este acero medio carbono puede ser forjado con
martillo. Responde al tratamiento térmico y al endurecimiento por llama o
inducción, pero no es recomendado para cementación o cianurado. Cuando
se hacen prácticas de soldadura adecuadas, presenta soldabilidad
adecuada. Por su dureza y tenacidad es adecuado para la fabricación de
componentes de maquinaria.
Acero alto carbono
El porcentaje de carbono es de 0,55%. Tiene una resistencia mecánica de
70-75 kg/mm2, y una dureza de 200-220 HB. Templa bien en agua y en
aceite, alcanzando una resistencia de 100 kg/mm2 y una dureza de 275-300
HB. Se utiliza en donde se necesite rigidez y dureza.
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2. Consulte cuales son los reactivos utilizados para ataque químico
metalográfico de los aceros.
Solución de ataque Uso y tiempo de ataque
1-10ml HNO3 90-99ml de metanol o
Etanol.
Nital. Es muy común para hierro, hierro fundido y aceros al carbono, la
solución más común es al 2%. Sumergir por 60s
100ml de agua 0.5g de ácido pícrico
Produce un contraste entre la martensita y la ferrita y otros
productos de transformación. Usar entre 71 y 77°C entre 15 y 20s.
10g de ácido prícrico 100 ml de alcohol
Superpicral. Se necesita de la solución pícrica caliente. Sumergir la
muestra por 1 min o más. Se usa para herramientas de acero y aceros
inoxidables.
10g de persulfato de amonio 100ml de agua
Sumergir la muestra por 5 s. Revela el límite de grano de la ferrita, algunas
veces produce el contraste de granos.
20ml de HNO3 80ml de nitrato de sodio
En sln. acuosa 1-2 g de persulfato de potasio
Para hierros con alto contenido en Si. Sumergir la muestra a 82-93°C entre
10 y 30s.
75ml de glicerina 15ml de agua
5ml de HF 5ml de HNO3
Para aleaciones Fe-Al. Sumergir la muestra por 3 min. Si se tiñe puede removerse con un poco de solución
de pulido final.
Solución 1: 98 ml de etanol y 2 ml de HNO3
Solución 2: 20g de metabisulfato de sodio y 100 ml de agua
Para aceros austeníticos con Mn. Sumergir por 5 s y secar. Sumergir en la solución 2 hasta que se oscurezca.
Produce excelente contraste de grano. Revela la profundidad de la
superficie de decarburización.
2.5g FeCl3 5g de ácido pícrico
2ml de HCl 90 ml de etanol.
Para aceros fundidos con alto contenido de Cr. Sumergir la muestra
por 15 s.
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2. INFORME
2.1. MICROGRAFÍAS TOMADAS
Las micrografías muestran una matriz clara, que a juzgar superficialmente, puede
ser probablemente ferrita y las zonas oscuras son perlita, ya que el acero 1010, por
contener poco carbono, se sitúan en el diagrama hierro carbono dentro de la zona
en la cual empiezan a formarse los granos del eutectoide o perlita. La
microfotografía muestra también la aparición de granos equiaxiales bien formados.
Micrografía 1: Sección longitudinal de
acero 1010 a 100X.
Fuente: Autores.
Micrografía 2: Sección longitudinal de
acero 1010 a 500X.
Fuente: Autores.
7
De igual manera que en las micrografías anteriores, se muestran zonas claras y
oscuras, es de observar que la zona que más predomina es la zona clara y sus
granos son bien formados equiaxialmente.
Micrografía 3: Sección transversal de
acero 1010 a 100X.
Fuente: Autores.
Micrografía 4: Sección transversal de
acero 1010 a 100X.
Fuente: Autores.
8
Las micrografías muestran zonas muy oscuras delineadas suavemente por una
película de una fase clara, se observan granos redondos y bien formados.
Micrografía 5: Sección longitudinal de
acero 1045 a 100X.
Fuente: Autores.
Micrografía 6: Sección longitudinal de
acero 1045 a 500X.
Fuente: Autores.
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Las micrografías muestran de manera muy eficiente la formación de los granos, y
lo visto en las micrografías longitudinales. En especial, en la micrografía de 500X
se aprecia de manera muy clara y precisa el delineamiento de la zona oscura por
la película fina de la zona clara.
Micrografía 7: Sección transversal de
acero 1045 a 100X.
Fuente: Autores.
Micrografía 8: Sección transversal de
acero 1045 a 500X.
Fuente: Autores.
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Las micrografías muestran la formación de puntos muy pequeños y una leve
revelación de los granos, muestra también zonas redondas espesas y pequeñas
que posiblemente fueron generados por inclusiones de materiales externos al acero,
carburos, o simplemente porosidades de la red.
Micrografía 9: Sección longitudinal de
acero O1 a 100X.
Fuente: Autores.
Micrografía 10: Sección longitudinal de
acero O1 a 500X.
Fuente: Autores.
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2.2. TAMAÑO DE GRANO
2.2.1. Acero 1010
Figura N° 1: Tamaño de grano de acero 1010 por método de comparación a 100X.
Según el método de comparación, el tamaño del grano del acero recae en la zona
número 7, sin embargo, al no tener la certeza segura de este valor y por el tamaño
tan reducido de los granos, utilizaremos una de las micrografías de mayor
ampliación (500X) para tomar el tamaño de grano de allí aplicando su factor de
corrección respectivo, determinado como:
𝑄 = 6.64log (𝑀
𝑀𝑏)
Donde M es la ampliación de la micrografía y Mb es 100 que corresponde a la
ampliación estándar, por consiguiente:
12
𝑄 = 6.64log (500
100) = 4.64
Figura N° 2: Tamaño de grano de acero 1010 por método de comparación a 500X
El tamaño de grano que más se ajusta es el número 3.
El número de grano será el tamaño de la plantilla más es factor de corrección:
𝐺 = 3 + 4.64
𝑮 = 𝟕. 𝟔𝟒
Es decir, de acuerdo con la tabla 4 de la norma ASTM E112, referente a la
determinación tamaño de grano, y haciendo énfasis en un número de grano de 7, el
diámetro promedio del grano es de 0.03mm, característico de un material duro.
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2.2.2. Acero 1045
Figura N° 3: Tamaño de grano en acero 1045 por método de comparación.
Gracias a la delineación clara que se genera alrededor de la zona oscura, es sencillo
determinar el número de grano al cual pertenece el material de estudio. El acero
1045, por método de comparación, tiene un número de grano 6.
Es decir, de acuerdo con la tabla 4 de la norma ASTM E112, el diámetro de grano
promedio es de 0.0449mm, característico de un material duro.
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2.2.3. Acero O1
Figura N° 4: Tamaño de grano de un acero O1 por método de comparación.
Los finos granos que presenta la microestructura del acero, conlleva a concluir por
comparación su tamaño de grano de 8. Por comodidad, se ha escogido este
método, ya que el método planimétrico, que aunque más exacto, requiere de mucho
más tiempo y trabajo para hacer el conteo de los granos interfaciales e
intracirculares de la plantilla y es mucho más eficiente un software para
metalografía en caso de tener granos tan pequeños.
Aun así, tomando su valor como un número de grano N° 8, según la tabla 4 de la
norma ASTM E112, su diámetro de grano promedio es 0.0225mm, y es
característico de un material muy duro.
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2.3. FASES PRESENTES
2.3.1. Acero 1010
1
1 ASM Metals Handbook Volume 09. Metallography And Microstruct. Carbon and Alloy Steels. Figura 7. Pág. 285.
Micrografía 2: Sección longitudinal
de acero 1010 a 500X.
Fuente: Autores.
Acero 1010. Al 0.1% de C de tubo de
caldera a 400X.1
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El acero 1010 contiene dentro de su microestructura ferrita y perlita, las cuales, son
descritas por ASM Handbook como zonas claras o zonas luz poligonales a la ferrita
y zonas oscuras a la perrita. En el diagrama hierro carbono, la linea vertical del
acero al 0.1% de C está más cerca a la franja de la ferrita que de la perlita, así que
es lógico, que a temperatura ambiente, se presente más ferrita que perlita.
Ferrita
Perlita
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2.3.2. Acero 1045
2
3
2 ASM Metals Handbook Volume 09. Metallography And Microstruct. Carbon and Alloy Steels. Figura 130. Pág. 327. 3 ASM Metals Handbook Volume 09. Metallography And Microstruct. Carbon and Alloy Steels. Figura 131. Pág. 327.
Micrografía 5: Sección
longitudinal de acero 1045 a 100X.
Fuente: Autores.
Chapa de acero 1045 de 3mm de
espesor. Enfriado en aire. La
estructura consta de perlita (gris
oscuro) y ferrita (luz).2
Micrografía 8: Sección transversal
de acero 1045 a 500X.
Fuente: Autores.
Mismo acero de la figura 130 a 500X
atacado con picral. La estructura es
perlita (gris) con una red o límite de
grano de ferrita (blanco) y un par de
placas de ferrita.3
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El acero 1045 cuenta dentro de su microestructura con ferrita y perlita; tal como lo
vimos con el acero 1010, la ferrita es la zona luz o zona clara y la perlita la zona
oscura. En esta microestructura contamos con una fase nueva, la ferrita perlítica,
que es la presencia de ferrita dentro de la perlita, ya que durante el enfriamiento,
algunas familias atómicas se apilan desordenadamente sobre la franja perlítica,
incrustándose la nueva fase en la zona oscura. La ferrita perlítica es difícil de
visualizar porque se presenta como agujas finas y delgadas dentro de la perlita,
formando una estructura parecida a una huella digital, y es posible presenciarla sólo
a aumentos grandes. Tal como veremos a continuación en una microfotografía
tomada a 1000X.
Perlita
Ferrita
perlítica
Ferrita
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2.3.3. Acero O1
Micrografía 10: Sección
longitudinal de acero O1 a 500X.
Fuente: Autores.
AISI O1 a 500X,
atacado con picral
a 4%.
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El acero O1, acero con 1% de carbono, contiene dentro de su microestructura ferrita,
perlita y cementita. La ferrita y la perlita son fácilmente reconocibles, ya que la ferrita
es clara y la perlita oscura, pero dentro de esta microestructura es importante
reconocer la cementita y saber diferenciarla de las dos fases restantes. En aceros
con más de 0.9% de carbono la cementita aparece como cementita primaria o
proeutéctica formando parte de la perlita como láminas paralelas separadas por
otras láminas de ferrita, se presentan en forma de glóbulos o granos dispersos en
una matriz de ferrita.
Al igual que en el acero 1045, existe la fase ferrita perlítica, pero es difícil visualizar
por el reducido tamaño que presentan los globulos; de igual manera existe la fase
cementita perlítica, que es la presencia de finas películas de cementita embebida
dentro de la perlita.
La micrografía presenta también porosidades en la microestructura, posiblemente
sean intragranulares, que son espacios entre las partículas que componen los
Matriz de
ferrita
Cementita
Perlita
Porosidad
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granos, pero es más eficiente ver esta clase de defectos en un microscopio
electrónico de barrido, que genera vistas topográficas que definen la profundidad
del poro.
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2.4. PROMEDIO DE DUREZAS
Para este ensayo se requiere de un indentador cónico de punta de diamante, tal
como lo rige la norma ASTM E18 para materiales duros en la escala HRC, se aplica
también una carga de 1471 N que equivale a 150 kpounds de fuerza, obteniendo
los siguientes resultados:
2.4.1. Acero 1010
Dureza 1: 11 HRC.
Dureza 2: 10.5 HRC.
Dureza 3: 10 HRC.
Promedio: 10.5 HRC.
2.4.1. Acero 1045
Dureza 1: 20 HRC.
Dureza 2: 20.5 HRC.
Dureza 3: 22.5 HRC.
Promedio: 21 HRC.
Figura N° 5: Dureza de acero
1010.
Figura N° 6: Dureza de acero
1045.
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2.4.1. Acero O1
Dureza 1: 11 HRC.
Dureza 2: 10.5 HRC.
Dureza 3: 11.5 HRC.
Promedio: 11 HRC.
El material más duro de los tres es el acero 1045, le sigue el acero O1 y finalmente
el acero más blando es el acero 1010. Las posibles discrepancias generadas en la
toma de las durezas se pueden referir al paralelismo de las caras de la probeta, ya
que una pequeña desviación en el paralelismo de las caras puede generar una
desviación en los valores entre una zona y otra.
Figura N° 7: Dureza de acero
1045.
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2.5. ANÁLISIS DE RESULTADOS
Para cada uno de los análisis que a continuación se exponen, se tendrá como patrón
el siguiente diagrama hierro-carbono, con el cual se calculará el porcentaje de fases
y su relación con las propiedades externas como la dureza.
Figura N° 8: Diagrama Hierro-Carbono.
2.5.1. Acero 1010
El acero 1010 es un acero con 0.1% de C. Ubicando una línea vertical sobre el 0.1%
de C en el diagrama de la Figura N° 8 y teniendo en cuenta que el acero se solidificó
bajo el equilibrio, trazamos una línea horizontal sobre 12°C que es
aproximadamente la temperatura ambiente de Tunja. Encontramos que la línea
horizontal, denominada línea de coexistencia, corta en su extremo derecho a la
franja de la perlita y en su extremo izquierdo a la franja de la ferrita; la perlita o
eutectoide, se encuentra ubicado al 0.8% de C y la línea de coexistencia corta a la
franja ferrítica en el 0.0025% de C, luego haciendo un cálculo de porcentaje de fases
encontramos que:
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%𝑭𝒆𝒓𝒓𝒊𝒕𝒂 = (0.8 − 0.1
0.8 − 0.0025) 𝑥100% = 𝟖𝟕. 𝟕𝟕%𝒅𝒆𝑭𝒆𝒓𝒓𝒊𝒕𝒂
Como el acero sólo presenta la fase ferrítica y perlítica, el porcentaje de perlita será:
%𝑷𝒆𝒓𝒍𝒊𝒕𝒂 = 100 − 87.77 = 𝟏𝟐. 𝟐𝟑%𝒅𝒆𝑷𝒆𝒓𝒍𝒊𝒕𝒂
Al revisar la micrografía efectivamente encontramos que la fase que más predomina
es la ferrita y en una proporción mínima aparece la perlita.
Encontramos también que el acero 1010 es el acero más blando de los tres en
estudio. Ya determinamos el contenido de ferrita dentro del acero 1010 y sabemos
que la fase predomina en más de ¾ de la estructura; la ferrita es la fase más blanda
y dúctil de los aceros y cristaliza en red cúbica centrada en el cuerpo, razón por la
cual es el acero más blando, aunque aun así es un material duro, demostrado a
través de su tamaño de grano, ya que al tener un tamaño de grano de 7, evidencia
su alta dureza de acuerdo a la ley de Hall Peach. Podemos destacar además que
tiene una resistencia a la tracción de 28kg/mm2, llegando hasta un alargamiento del
40%.
2.5.2. Acero 1045
De igual forma que en el caso anterior, se determina el contenido de fases por medio
de su línea de coexistencia. Como el acero 1045, contiene 0.45% de C, se
encuentra dentro de la ferrita y la perlita nuevamente, ya que la perlita se encuentra
justo es un porcentaje de 0.8% de carbono. Teniendo en cuenta las mismas
consideraciones del acero 1010 se procede a hallar el porcentaje de fases como:
%𝑭𝒆𝒓𝒓𝒊𝒕𝒂 = (0.8 − 0.45
0.8 − 0.0025) 𝑥100% = 𝟒𝟑. 𝟖𝟖%𝒅𝒆𝑭𝒆𝒓𝒓𝒊𝒕𝒂
%𝑷𝒆𝒓𝒍𝒊𝒕𝒂 = 100 − 43.88 = 𝟓𝟔. 𝟏𝟐%𝒅𝒆𝑷𝒆𝒓𝒍𝒊𝒕𝒂
Al revisar la micrografía 5 y la micrografía 7, que corresponden a las micrografías
de acero 1045 a 100X longitudinal y transversal respectivamente, encontramos que
efectivamente la fase que más predomina es la perlita pero en una proporción
mínima, se puede considerar que están por partes iguales. Es decir, que si
tuviéramos las micrografías y cortáramos separando las zonas oscuras de las zonas
claras y luego pesamos en una balanza analítica la masa de los zonas oscuras y
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las zonas claras, deben estar en un porcentaje muy cercano a 43.88% de zonas
claras y un 56.12% de zonas oscuras.
Encontramos que el acero 1045 es el acero más duro de los tres en estudio. El
acero 1045, como vimos, está formado principalmente por perlita, pero según la
reacción eutectoide, la perlita está formada por ferrita y cementita (Fe3C); la
cementita es el microconstituyente más duro de los aceros y le brinda una dureza
óptima a la perlita, generándole así una dureza promedio de 24HRC.
Experimentalmente el acero arrojó un valor de 21 HRC, pero debemos tener en
cuenta que el acero también posee ferrita, que es un microconstituyente blando y le
baja dureza al acero. Es importante destacar que los aceros con alto contenido de
perlita tienen una resistencia última a la tracción de aproximadamente 80kg/mm2 y
un 15% de elongación antes de llegar a la fractura.
2.5.3. Acero O1
El acero es un acero con un contenido de carbono del 1%. Ubicar las fases de acero
es más complejo por contener perlita y cementita sobre una matriz ferrítica, sin
embargo hallaremos el % de cementita para relacionar esta propiedad física con el
comportamiento microestructural de la muestra. Sabiendo que la cementita pura se
encuentra a 6.67% de C y el eutectoide o perlita se ubica en 0.8% de C, el porcentaje
de cementita será:
%𝒅𝒆𝑪𝒆𝒎𝒆𝒏𝒕𝒊𝒕𝒂 = (1 − 0.8
6.67 − 0.8) 𝑥100% = 𝟑. 𝟒%𝒅𝒆𝒄𝒆𝒎𝒆𝒏𝒕𝒊𝒕𝒂
La cementita sólo abarca el 3.4% de acero, el 96.6% restante lo ocupan la ferrita y
la perlita, especialmente la perlita, ya que la línea de coexistencia del acero arroja
la información de contener una gran cantidad de perlita. La cementita cristaliza en
una red ortorrómbica y tiende a ser cubierta por una fina capa de perlita para aceros
con una cantidad ligeramente mayor al 0.9%.
El acero O1 tiene una dureza intermedia entre el acero 1010 y el acero 1045. La
cementita es la que generalmente le brinda la dureza al acero, sin embargo, vemos
que el acero contiene cementita pura tan sólo en un 3.4% y el resto de cementita se
lo brinda la perlita, pero el 96.6% de matriz libre es ocupado por la perlita y la ferrita,
esta última rebajando la dureza del acero por ser un microconstituyente muy blando.
Sin embargo, por medio de su tamaño de grano, podemos evidenciar que el acero
es bastante duro, siendo los aceros con alto contenido de cementita, los aceros más
duros pero más frágiles que se trabajan.
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2.6. CONCLUSIONES
Los aceros, dependiendo de su contenido de carbono, van formando fases
diferentes y en distintas proporciones que modifican su microestructura afectando
de esta manera sus propiedades físicas externas como su dureza.
Los aceros son materiales duros por contener un diámetro de grano promedio
pequeño evidenciado en el cálculo del tamaño de grano.
Los aceros que se enfrían bajo el equilibrio con un porcentaje menor al 0.8%
contienen, a temperatura ambiente, ferrita y perlita, la primera es una fase luz o
zona clara que se revela en la microestructura y la perlita es una fase de absorción
de luz o zona oscura de la microfotografía.
A medida que aumenta el contenido de carbono, va aumentando el contenido de
perlita y disminuyendo el contenido de ferrita para aceros menores al 0.8% de
carbono.
Para aceros mayores al 0.8% de carbono se presenta una nueva fase llamada
cementita y caracterizada por ser el microconstituyente más duro de los aceros,
siguiéndole la perlita, la cual, es el eutectoide compuesto de ferrita y cementita, y
por último el microconstituyente más blando es la ferrita.
La dureza de los aceros depende intrínsecamente de los microconstituyentes que
los conforman, puesto que si tienen mucha cementita, el acero tiende a ser más
duro pero más frágil y si tiene mucha ferrita tiende ser muy blando.
El contenido y porcentaje de fases se calcula tomando como patrón en diagrama
hierro carbono que nos brinda un esbozo de la microestructura que se debe formar
bajo el equilibrio.
28
2.7. BIBLIOGRAFÍA
GROVER, Mikell P. Fundamento de manufactura moderna: Materiales, Procesos y
Sistemas. Ed. Pearson Education. 1997. Pág. 124.
DUBOX, Eduardo J. Prácticas de metalografía.
ASM Handbook. Metallography and Microstructures. Vol 9. Ed. 9. 1985. AVNER, Sydney. Introducción a la metalurgia física. Ed. 2. 1988. SMITH, William F. & HASHMEI, Javad. Fundamentos de la ciencia e ingeniería de materiales. 4. Ed. ASKELAND, Donald. Ciencia e ingeniería de los materiales. Ed. 3.