unidad 9 - aleaciones fe-c

5/8/2018 Unidad 9 - Aleaciones Fe-C - slidepdf.com

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Universidad Nacional de Cuyo

Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria

Alumno: Cristian González

Legajo N° 3149

Industrias mineras de base metálica - 2010 Página 1

Unidad N° 9

“Aleaciones Hierro-Carbono”

Introducción .............................................................................................................. 2

Diagrama de Fases metaestable Hierro-Carburo de hierro (Fe-Fe3C) ............................ 2

Desarrollo de microestructuras en aleaciones Hierro-Carbono ..................................... 4

Aceros eutectoides ..................................................................................................... 4

Aceros hipoeutectoides .............................................................................................. 6

Aceros hipereutectoides ............................................................................................. 8

Enfriamiento en no equilibrio ..................................................................................... 9

Influencia de los elementos de aleación ......................................................................... 9

Aceros comunes y aleados ........................................................................................ 10

Aceros al carbono ......................................................................................................... 11

Aceros bajos en carbono ....................................................................................... 11

Aceros medios en carbono ................................................................................... 12

Aceros altos en carbono ....................................................................................... 12

Aceros Aleados .............................................................................................................. 13

Aceros Inoxidables ................................................................................................ 13

Fundiciones .............................................................................................................. 14

Fundición gris ................................................................................................................ 15

Fundición dúctil (esferoidal) ......................................................................................... 16

Fundición blanca ........................................................................................................... 18

Fundición maleable ....................................................................................................... 18

Fundición atruchada ..................................................................................................... 19

Bibliografía .............................................................................................................. 21



Universidad Nacional

Facultad de Ciencias A

Alumno: Cristian Gonz

Legajo N° 3149

Industrias mineras de

IntroducciónEl sistema de aleacio

fundiciones, esto es, los

tecnológicamente avanzadas

Diagrama de F

(Fe-Fe3C)

La figura representa u

calentarse, experimenta dos

ambiente, la forma estable

experimenta a 912°C una tra

persiste hasta 1394°C, temp

como ferrita δ, que funde a

izquierdo en el diagrama de f

e Cuyo

plicadas a la Industria

lez

base metálica - 2010

es binario más importante es el hierro-Carb

materiales estructurales primarios en to

son esencialmente aleaciones Hierro-Carbono.

ases metaestable Hierro-Carbur

a parte del diagrama de fases Hierro-Carbono.

cambios de la estructura cristalina antes de fun

se llama ferrita o hierro α y tiene la estructu

nsformación polifórmica a austenita FCC o hier

eratura a la que vuelve a convertirse en una f

1538°C. Todos estos cambios aparecen a lo lar

ases.

Página 2

no. Los aceros y

as las culturas

o de hierro

El hierro puro, al

ir. A temperatura

ra BCC. La ferrita

ro γ. La austenita

ase BCC conocida

o del eje vertical






Legajo N° 3149


El eje de composición

coincide con la del compuest

por una línea vertical. Así, el

• Una parte rica

• Otra parte (no

puro.

Prácticamente todos lo

6,7%; por lo tanto se conside

El carbono es un solut

α, con la ferrita δ, y con la a

muy pequeñas de carbono,

727°C. Esta pequeña solubili

posiciones intersticiales de l

carbono. Esta fase hierro-car

y tiene una densidad de 7,88

La austenita, o fase γ

debajo de los 727°C. La má

1148°C. Esta solubilidad es a

BCC, ya que las posiciones i

que al llenarse de átomos de

sea mucho menor. La austeni

La ferrita δ es como la

cual existen. Debido a que só

no se tratará.

Se forma cementita (ferrita α por debajo de 727

e Cuyo


lez


solo llega hasta 6,7% en peso de carbono, c

o intermedio carburo de hierro o cementita (Fe

istema Hierro-Carbono se puede dividir en dos

en hierro, que coincide con la figura anterior.

mostrada) de composición comprendida entre 6

s aceros y fundiciones tienen porcentajes de ca

ará sólo esta parte.

intersticial en el hierro y forma disoluciones só

ustenita γ. En la ferrita α BCC sólo son soluble

la solubilidad máxima es de 0,022% en peso

dad se explica teniendo en cuenta la forma y

estructura BCC que dificulta la acomodación

ono es relativamente blanda, magnética por d

g/cm3.

el hierro, cuando está aleada con el carbono,

xima solubilidad del carbono en austenita es

roximadamente 100 veces superior que la máx

tersticiales de la estructura FCC tienen la for

carbono la deformación impuesta a los átomos

ta no es magnética.

ferrita α, y sólo se diferencian en el tramo de t

lo es estable a altas temperaturas, no tiene imp

e3C) cuando se excede el límite de solubilida°C (la composición está comprendida en la re

Página 3

oncentración que

3C), representado

artes:

,7 y 100% (grafito

r

bono inferiores a

lidas con la ferrita

concentraciones

y corresponde a

el tamaño de las

de los átomos de

bajo de los 768°C

no es estable por

2,11% en peso a

ima para la ferrita

a adecuada para

de hierro vecinos

mperaturas en el

ortancia técnica y

del carbono enión de fases α +






Legajo N° 3149


Fe3C). La cementita también coexiste con la fase γ entre 727°C y 1148°C. La cementita, desde

el punto de vista mecánico, es dura y frágil, y su presencia aumenta considerablemente la

resistencia de algunos aceros.

El diagrama de fases anteriormente visto no está verdaderamente en equilibrio porque

la cementita no es un compuesto estable. Sin embargo, teniendo en cuenta que la velocidad

de descomposición de la cementita es extraordinariamente lenta, en la práctica todo el

carbono del acero aparece como Fe3C en lugar de grafito y el diagrama de fases hierro carburo

de hierro es válido en la práctica.

En el diagrama se observan regiones bifásicas, y un eutéctico a 4,3% en peso de carbono

y 1148°C. La reacción eutéctica es:

+ (6,7%)

Se aprecia la existencia de un punto invariante a la composición de 0,77% en peso y a la

temperatura de 727°C. Esta reacción eutectoide se puede representar por:

(0,77%) (0,022%) + (6,7%)

La clasificación de las aleaciones férreas según el contenido de carbono comprende 3

grupos:

• Hierro puro: contiene menos de 0,008% en peso de C, y comprende la fase

ferrita a temperatura ambiente.

• Aceros: contiene entre 0,008% y 2,11% en peso de C. La microestructura de la

mayoría de los aceros consiste en las fases α y Fe3C. En la práctica la

concentración de carbono de los aceros raramente excede del 1%.

• Fundiciones: contiene entre 2,11% y 6,7% en peso de C. Sin embargo las

fundiciones comerciales normalmente contienen menos del 4,5%.

Desarrollo de microestructuras en aleaciones Hierro-Carbono

Aceros eutectoides

Se tratarán algunas de las diferentes microestructuras que pueden ser producidas en las

aleaciones de acero y sus relaciones con el diagrama de fases hierro-carburo de hierro. La

exposición se centra en el enfriamiento muy lento de las aleaciones de acero, en el cual se

mantienen continuamente condiciones de equilibrio.

Los cambios de fase que tienen lugar al pasar de la región γ al campo bifásico α +

Carburo de hierro son relativamente complejos. Por ejemplo, al enfriar una composición

eutéctica desde los 800°C de la región monofásica γ (punto a de la figura 9.22) equivale a

descender por la vertical xx’. Inicialmente la aleación de composición 0,77%C tiene la

microestructura austenítica indicada en la figura. Al enfriar no ocurre ningún cambio hasta

llegar a la temperatura eutectoide (727°C).






Legajo N° 3149


En el punto b, por d

ecuación

0,77

La austenita de comp

(0,022%C) y Fe3C con un co

carbono porque las tres fases

La microestructura del

eutectoide es análoga a la de

o láminas alternas de las d

relación de los espesores de

punto b se denomina perli

microscópicamente.

La fotomicrografía de l

e Cuyo


lez


bajo de esta temperatura la austenita se tra

0,022% 6,7%

osición 0,77%C forma ferrita, con bajo conte

ntenido de 6,7%C. Este cambio de fase necesi

tienen distintas composiciones.

acero eutectoide enfriado lentamente a través

una aleación de composición eutéctica, es deci

s fases (α y Fe3C) durante la transformación.

las dos capas es de 8 a 1. La microestructura es

a porque tiene la apariencia de la madrepe

figura 9.23 corresponde a una perlita de un ac

Página 5

nsforma según la

nido en carbono

ta la difusión del

e la temperatura

, se forman capas

En este caso, la

uematizada en el

rla al observarse

ro eutectoide.






Legajo N° 3149


La perlita aparece en

están orientadas esencialme

otra. Las capas delgadas clar

oscuras. La mayoría de las

adyacentes no se distinguen

las perlitas tienen propieda

quebradiza cementita.

Aceros hipoeutectoi

Una aleación de comp

denomina aleación hipoeute

El enfriamiento de una

lo largo de la vertical yy’ de l

e Cuyo


lez


ranos denominados “colonias”; dentro de cada

te en la misma dirección, y esta dirección varí

s son de ferrita y la cementita aparece como ca

capas de cementita son tan delgadas que lo

, a estos aumentos, las capas aparecen oscuras

des intermedias entre la blanda y dúctil fer

des

osición C0 a la izquierda del eutectoide, entre

ctoide.

aleación de esta composición está representad

figura 9.24.

Página 6

colonia las capas

de una colonia a

pas delgadas más

s límites de fase

. Mecánicamente,

rita, y la dura y

,022 y 0,77%C se

en el descenso a






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Hacia los 875°C, punt

como se muestra en la figur

fases coexisten, según indic

generan en los límites de losutilizando las rectas de repar

Cuando se enfría un ac

varía según la línea MN, del l

mismo tiempo la composició

composición frente a la temp

Enfriando desde el pun

γ, se aprecia un incremento

0,022%C mientras que la fase

Al descender la tempe

presente la temperatura Te, y

la reacción:

0,77

La fase α existente e

eutectoide: permanece co

microestructura del punto

presente en el acero procedeutectoide. La ferrita de la p

Se te denomina errita proeu

La figura 9.25 reprodu

corresponden a la ferrita pro

ferrita proeutectoide y perlit

e Cuyo


lez


c, la microestructura consta enteramente de

a. En el punto d de la región bifásica α + γ, a

el esquema microestructural. La mayoría de l

granos γ originales. Las composiciones de las fao cuyos extremos coinciden con 0,020 y 0,50%C

ero a través de la región de fases α + γ, la com

ímite de fase α-(α + γ) y se enriquece ligerame

n de la austenita cambia de modo mucho más

eratura sigue la línea MO del límite de fase (α +

to d al e, muy próximo al eutectoide pero dentr

de la microestructura de la fracción de fase α. L

γ tiene la composición del eutectoide 0,77%C.

ratura al punto f , justo por debajo del eutectoi

con la composición del eutectoide se transform

0,022% 6,7%

el punto e prácticamente no cambia al cruz

o matriz continua alrededor de las coloni

aparece como indica la figura 9.24. De est

e del enfriamiento a través de la región α + γrlita se denomina ferrita eutectoide y la ferrita

ectoide.

ce una fotomicrografía de un acero 0,38%C. La

eutectoide. Cabe destacar la existencia de 2 mic

.

Página 7

granos de fase γ,

nos 775°C, estas

as partículas α se

es se determinan.

osición de ferrita

te en carbono. Al

drástico, pues la

)-γ.

o de la región α +

a fase α contiene

de, toda la fase γ

a en perlita según

r la temperatura

s de perlita. La

modo la ferrita

y de la reacciónformada antes de

regiones blancas

roconstituyentes:






Legajo N° 3149


Aceros hipereutecto

El enfriamiento desde

entre 0,77 y 2,11%C, origi

composición C1

de la figura 9.

En el punto g sólo apa

campo de fase γ + Fe3C, has

límites iniciales de los grano

denomina cementita proeu

composición de la austenit

embargo, la composición d

eutéctico.

Al descender por deba

composición eutectoide se tr

consiste en perlita y cementi

Obsérvese en la figura

aparece con una tonalida

proeutectoide, a veces eshipereutectoides.

e Cuyo


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ides

el campo γ de aceros al carbono, de composi

a transformaciones y microestructuras análo

27 se enfría descendiendo por la vertical zz’.

recen granos de fase γ y composición C1. Al en

a el punto h, por ejemplo, la fase cementita v

γ, esto es similar al punto d de la figura 9.24.

ectoide, porque se forma antes de la reacci

permanece constante (6,70%C) al variar la

la austenita se desplaza a lo largo de la lí

o de la temperatura eutéctica, toda la austenit

ansforma en perlita. De este modo, la microest

a proeutectoide como microconstituyentes.

9.28 que en la fotomicrografía de un acero de 1

clara. Ya que tiene una apariencia pare

difícil distinguir la microestructura de lo

Página 8

ión comprendida

gas. El acero de

riar a lo largo del

creciendo en los

Esta cementita se

n eutectoide. La

temperatura. Sin

ea PO antes del

remanente de la

uctura resultante

4%C la cementita

ida a la ferrita

aceros hipo e






Legajo N° 3149


Enfriamiento en noEn la discusión de la e

se supone que a lo largo de

equilibrio metaestable, es

alcanzar el ajuste composici

previstas por el diagrama de

Influencia de los

La adición de otros

drásticamente el diagrama

alteraciones de las posicion

dependen del elemento de al

Uno de estos importa

con respecto a la temperatur

Las figuras 9.29 y 9.30

composición en función de la

e Cuyo


lez


quilibrioolución de las microestructuras de las aleacion

l enfriamiento se mantienen continuamente l

ecir, se necesita tiempo suficiente a cada t

nal de las fases y el ajuste en cuanto a las ca

ases hierro-carburo de hierro.

lementos de aleación

elementos aleantes (cromo, níquel, titan

de fases binario hierro-carburo de hierro. La

es de los límites de fases y la forma de los

eación y de su concentración.

tes cambios es el desplazamiento de la posici

a y a la concentración de carbono.

ilustran los efectos de la modificación de la te

concentración de varios elementos de aleación.

Página 9

es hierro-carbono

s condiciones de

emperatura para

ntidades relativas

i

o, etc.) cambia

magnitud de las

campos de fases

n del eutectoide

peratura y de la






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Aceros comuneLos aceros se clasifican

en:

Aceros al car

distintas al car

Aceros aleado

concentracion

e Cuyo


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y aleadosde acuerdo con la concentración de otros elem

ono: sólo contienen concentraciones residua

ono.

s: los elementos de aleación de añaden inten

s específicas.

Página 10

entos de aleación

les de impurezas

cionadamente en






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Aceros al carbono

Se clasfican en:

Aceros bajos en carbono

Aceros medios en carbono

Aceros altos en carbono

Aceros bajos en carbono

La mayor parte de todo el acero fabricado es bajo en carbono. Contiene menos del

0,25%C, no responde al tratamiento térmico para formar martensita y es endurecible por

acritud. La microestructura consiste en ferrita y perlita, por lo tanto son relativamente blandos

y poco resistentes, pero con extraordinaria ductilidad y tenacidad. Además son de fácil

mecanizado, soldables y baratos. Se utilizan para fabricar carrocerías de automóviles, vigas, y

láminas para construir tuberías, edificios, puentes y latas estañadas.






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Un grupo muy importante dentro de los aceros bajos en carbono es el de los aceros de

alta resistencia y baja aleación (HSLA), que contienen elementos de aleación como cobre,

vanadio, níquel, y molibdeno, en concentraciones combinadas de aproximadamente 10%, y

poseen mucha mayor resistencia mecánica. También son más resistentes a la corrosión ysuelen reemplazar a los de bajo carbono en puentes, torres, columnas de soporte de edificios y

recipientes a presión

Aceros medios en carbono

Los aceros medios en carbono tienen porcentajes en carbono comprendidos entre 0,25

y 0,6%C. Estos aceros pueden ser tratados térmicamente mediante austenización, temple y

revenido para mejorar sus propiedades mecánicas. Se utilizan para fabricar ruedas y rieles de

trenes, engranajes, cigüeñales, y otros componentes estructurales que necesitan alta

resistencia mecánica, resistencia al desgaste y tenacidad.

Aceros altos en carbonoContienen normalmente entre 0,6 y 1,4%C y son más duros, resistentes y aún menos

dúctiles que los otros aceros al carbono. Son especialmente resistentes al desgaste y capaces

de adquirir la forma de herramienta de corte. Estos aceros se utilizan como herramientas de

corte y matrices para hechurar materiales, así como cuchillos, navajas, hojas de sierra, muelles

e hilos de alta resistencia.






Legajo N° 3149


Aceros Aleados

Los principales aceros aleados son los Aceros Inoxidables

Aceros Inoxidables

Resisten la corrosión en muchos ambientes, especialmente en la atmosfera. El cromo es

el principal elemento de aleación, en una concentración mínima del 11%. La resistencia a la

corrosión mejora con adiciones de níquel y molibdeno.

Los aceros inoxidables se clasifican en función de la microestructura constituyente:

Martensíticos: La martensita se genera debido al tratamiento térmico de los

aceros austeníticos.

Ferríticos: Están constituidos por la fase ferrita α (BCC).

Austeníticos: La austenita (fase γ) permanece estable a temperatura ambiente.

Se utilizan en ambientes rigurosos a elevadas temperaturas debido a su resistencia a la

oxidación y a la integridad mecánica en estas condiciones. Las aplicaciones típicas son: turbinas

de gas, generadores de vapor, hornos de tratamiento térmico, aviones, misiles, y generadoresde energía nuclear.






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FundicionesLas fundiciones se clasifican como aleaciones férreas con un contenido en carbono

superior al 2,1%C; sin embargo, en la práctica, la mayoría de las fundiciones contienen entre 3

y 4,5%C y otros elementos de adición. La observación del diagrama de fases hierro-carburo de

hierro revela que las aleaciones comprendidas en este tramo de composiciones funden a

temperaturas incluidas entre 1150 y 1300°C, considerablemente más bajas que los aceros. Por

este motivo las fundiciones funden y se moldean con facilidad. Además, algunas fundiciones

son frágiles y el moldeo es la técnica de conformación más conveniente.

La cementita (Fe3C) es un compuesto metaestable y, en algunas circunstancias, se

disocia en 2 componentes: ferrita α y grafito de acuerdo a la siguiente reacción:

→ 3 ()

El verdadero diagrama de equilibrio hierro-carbono no es el anteriormente visto sino el

que se presenta a continuación:






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Ambos diagramas son

las temperaturas eutéctica y

727°C respectivamente, en l

también abarca la región de

6,7%C.

La tendencia a la grafi

y la velocidad de enfriamient

la grafitización, al igual que l

la mayoría de las fundicion

propiedades mecánicas depe

Los tipos más comunes

Fundición gris

Fundición blan

Fundición esfe

Fundición mal

Fundición gris

Los contenidos de carb

la mayoría de las fundiciones

matriz de ferrita α o perlita.

figura 12.5 a.

e Cuyo


lez


prácticamente idénticos en la región rica en hi

eutectoide para el sistema hierro-carburo de

gar de 1174 y 738°C del sistema hierro-carbo

l 100% de carbono, donde el grafito sustituye

ización (formación de grafito) se regula median

o. La presencia de silicio, en porcentaje superio

velocidad más lenta de enfriamiento durante l

s de carbono aparece como grafito y la micr

nden de la composición y del tratamiento térmi

de fundición son:

ca

oidal

able

ono y de silicio varían entre 2,5 a 4 y 1 a 3% re

grises, el grafito aparece como escamas o lámin

La microestructura de una fundición gris típica

Página 15

rro (por ejemplo,

ierro son 1148 y

o). La figura 12.4

a la cementita de

te la composición

es al 1%, facilitan

solidificación. En

oestructura y las

o.

pectivamente. En

as, dentro de una

se muestra en la






Legajo N° 3149


El nombre fundición gris procede del color de la superficie fracturada, el cual se debe a

la presencia de estas escamas.

Mecánicamente son, a consecuencia de su microestructura, frágiles y poco resistentes a

la tracción, ya que las láminas de grafito actúan como puntos de concentración de tensiones al

aplicar un esfuerzo. Tienen propiedades muy características y útiles, como por ejemplo la

efectividad en el amortiguamiento de la energía vibracional. Las bancadas para equipos que

vibran se suelen construir de fundición gris. Además, la fundición gris tiene alta resistencia al

desgaste. Finalmente, es uno de los materiales metálicos más baratos.

Fundición dúctil (esferoidal)






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Adiciones de pequeña

líquido produce diferentes m

esferoides, que originan dist

dúctil o esferoidal, cuya micr

La matriz que rodea

tratamiento térmico, en la p

700°C durante varias horas la

La fundición dúctil es

laminar. Tiene propiedades

cuerpos de bombas, cigüe

maquinaria.

En la siguiente figurtratamientos térmicos:

e Cuyo


lez


s cantidades de magnesio y cerio a la fundici

icroestructuras, en las que el grafito en lugar

intas propiedades mecánicas. De este modo re

oesctructura se muestra en la figura 12.5 b.

los esferoides de grafito es ferrita o perlita

ieza sólo moldeada es perlita, sin embargo un

transforma en ferrita.

más resistente y obviamente más dúctil que

mecánicas similares al acero. Se utiliza para

ales, pistones, y otros componentes del a

a se muestran las microestructuras que re

Página 17

n gris en estado

e escamas forma

sulta la fundición

dependiendo del

calentamiento a

la gris de grafito

fabricar válvulas,

tomóvil y de la

sultan de varios






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Fundición blanca

Contiene poco silicio (menos del 0,8%), bastante manganeso (más del 1%) para facilitar

la disolución del carbono, 1,5 a 2,5% de fósforo, y sólo trazas de azufre, ya que este produce

fragilidad.

Se puede obtener en el alto horno con temperaturas moderadas (para que se reduzca

poco silicio) y con escorias muy fusibles. Al colar se la enfría bruscamente para evitar la

precipitación del carbono, que en mayor parte queda como cementita y en solución sólida con

el hierro. A consecuencia de la gran cantidad de fase cementita, la fundición blanca es

extremadamente dura y muy frágil, hasta el punto de ser inmecanizable.

Las secciones gruesas pueden tener una sola capa superficial de fundición blanca que se

ha “enfriado” durante el moldeo, en el interior, donde la velocidad de enfriamiento es más

lenta, se forma fundición gris.

La fundición blanca generalmente se obtiene como producto de partida para fabricar

fundición maleable.

Fundición maleable

Calentando la fundición blanca a temperaturas comprendidas entre 800 y 900°C durante

períodos prolongados de tiempo en atmósfera neutra (para prevenir la oxidación), la

cementita se descompone y forma grafito en forma de racimos o rocetas dentro de una matriz

ferrítica o perlítica. La estructura de la matriz depende de la velocidad de enfriamiento. La

figura 12.5 d reproduce una fotomicrografía de la fundición maleable.






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Se observa que la microestructura es similar a la de la fundición esferoidal y origina

resistencia relativamente alta y apreciable ductilidad o maleabilidad. Sus aplicaciones más

representativas son tubos de dirección, engranajes de transmisión y cajas de diferencial para la

industria automovilística, rebordes, muelles tabulares y partes de válvulas para ferrocarriles,

marina, y otros servicios.

Fundición atruchada

Este nombre se aplica a productos que son mezclas de fundición blanca y fundición gris

con 2,5 a 3%C y 0,8 a 1,5%Si. Son productos heterogéneos utilizables para el moldeo; la

velocidad de enfriamiento tiene una gran importancia.






Legajo N° 3149


En la siguiente tabla se muestra a modo de resumen algunas fundiciones con sus

propiedades mecánicas, composiciones y aplicaciones:






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Bibliografía Abril, E.R. “Metalurgia Técnica y Fundición”. Librería y editorial Alsina. Buenos

Aires, Argentina, año 1956.

Callister, W.D. “Introducción a la Ciencia e Ingeniería de los Materiales 1”.Editorial Reverté. Barcelona, España, año 2007.

Avner, S.H. “Introducción a la Metalurgia Física”. Editorial McGraw Hill. Mexico

DF, año 1988.

Quevron, L.; Oudine, L. “Curso de metalurgia”. 7ma Edición. Ed. Aguilar, S.A. de

ediciones. Madrid, España. Año 1963.

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