Diagrama de fases hierro-carbono
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El hierro y sus aleaciones constituyen la base de la ingeniería de materiales moderna. Se utilizan para fabricar estructuras que soportan cargas, herramientas, máquinas y elementos de infraestructura industrial. La clave para comprender el comportamiento de estos materiales, tanto en estado sólido como durante los procesos térmicos, reside en el análisis del diagrama de fases hierro-carbono (Fe-C).
El diagrama de fases Fe-C describe las transformaciones de fase en equilibrio que se producen en las aleaciones de hierro que contienen hasta aproximadamente un 6,7 % de carbono. Sin embargo, en la práctica, las aleaciones con un contenido mucho menor de este elemento son las más importantes, es decir, los aceros (hasta un 2,11 % de C) y las fundiciones (por encima del 2,11 % de C). El conocimiento del diagrama de fases Fe-C nos permite predecir:
- Qué estructuras cristalinas se formarán en la aleación tras el enfriamiento
- Cuáles serán sus propiedades mecánicas y tecnológicas
- Cómo planificar el tratamiento térmico para conseguir el efecto deseado
Por eso, el diagrama de fases hierro-carbono se considera el diagrama de equilibrio de fases más importante en metalurgia, ya que constituye la base para el diseño, el procesamiento y la modificación de las aleaciones de hierro.
Características del diagrama de fases hierro-carbono
El diagrama de fases hierro-carbono (Fe-C) es un gráfico que muestra la relación entre el contenido de carbono y la temperatura de las aleaciones de hierro en estado de equilibrio termodinámico. Este diagrama abarca un rango de hasta 6,67 % de C, que corresponde a la composición química de la cementita (Fe₃C), un compuesto intermetálico sólido de hierro y carbono.
En la práctica industrial, las aleaciones que contienen hasta un 4,3 % de C, es decir, los distintos grados de acero y hierro fundido son de gran importancia. Este diagrama nos permite determinar qué fases y microestructuras estarán presentes en el material a una temperatura determinada y qué transformaciones de fase se producirán durante el enfriamiento o el calentamiento.
Hay tres fases principales en el diagrama de fases Fe-C: ferrita (α), una fase blanda y dúctil con una red cristalina centrada en el cuerpo (BCC) regular, capaz de disolver solo trazas de carbono; austenita (γ), una fase con una red cúbica centrada en las caras (FCC) regular que se produce a temperaturas más altas y puede disolver hasta un 2,11 % de C; y cementita (Fe₃C), un compuesto químico con una dureza muy alta pero una plasticidad baja.
Los puntos característicos del gráfico son especialmente importantes: el punto eutectoide (727 °C, 0,8 % de C), en el que la austenita se transforma en una mezcla de ferrita y cementita, es decir, perlita; y el punto eutéctico (1147 °C, 4,3 % de C), en el que el metal líquido forma ledeburita, una mezcla de austenita y cementita. También cabe mencionar la transformación peritectica (1495 °C, 0,16 % de C), que tiene, principalmente, importancia teórica.
El diagrama de fases Fe-C es una herramienta básica que se utiliza en el diseño de aleaciones de hierro, así como en la planificación de su tratamiento térmico y la predicción de sus propiedades operativas.
Cementita, ferrita y austenita
Las fases básicas que aparecen en el diagrama de fases hierro-carbono son la cementita (Fe₃C), la ferrita (α) y la austenita (γ). Su presencia, cantidad y proporciones mutuas determinan la estructura y las propiedades de la aleación, tanto en estado bruto como después del tratamiento térmico.
La cementita (Fe₃C) es un compuesto químico de hierro y carbono con un contenido de carbono del 6,67 %. Es una fase muy dura y frágil, con una dureza de hasta 800 HV pero, debido a su falta de plasticidad, no es un material útil por sí solo. Se presenta como componente de estructuras complejas como la perlita y la ledeburita, donde su presencia influye significativamente en la resistencia a la abrasión y la dureza del material.
La ferrita (α) es una solución sólida de carbono en hierro alfa con una red cristalina centrada en el cuerpo (BCC). Es una fase blanda, dúctil y que se trabaja fácilmente que contiene solo trazas de carbono, un máximo del 0,02 % a 727 °C. Gracias a estas propiedades, la ferrita es la fase principal responsable de la ductilidad y la conformabilidad en los aceros con bajo contenido de carbono.
La austenita (γ) es una solución sólida de carbono en hierro gamma con una red cúbica centrada en las caras (FCC). Esta fase se forma a temperaturas más altas y su solubilidad en carbono alcanza el 2,11 % de C a 1147 °C. La austenita es dúctil y no magnética, lo que la hace especialmente valiosa en procesos de tratamiento térmico y endurecimiento superficial. Además, debido a su estructura, la austenita puede transformarse en otras fases (por ejemplo, martensita) como resultado de un enfriamiento rápido.
La relación entre estas tres fases (cementita, ferrita y austenita) es fundamental para comprender el comportamiento de las aleaciones de hierro durante el enfriamiento, el calentamiento y la saturación con elementos. Las transformaciones de fase controladas permiten a los ingenieros adaptar la microestructura del acero y el hierro fundido para satisfacer requisitos tecnológicos y operativos específicos.
Perlita, ledeburita y eutectoides
La perlita es una mezcla laminar de grano fino de dos fases, ferrita y cementita, que se forma como resultado de la transformación eutectoide de la austenita a una temperatura de 727 °C y un contenido de carbono del 0,8 %. Tiene una estructura laminar característica, que se asemeja a capas alternas, y combina una dureza moderada con una buena plasticidad. En los aceros al carbono, la perlita es común y es la responsable de la favorable combinación de resistencia y maquinabilidad.
La ledeburita es una mezcla de austenita y cementita, se forma a una temperatura de 1147 °C y con un contenido de carbono del 4,3 % como resultado de la transformación líquida eutéctica. Se encuentra principalmente en hierros fundidos, donde es la responsable de que cuenten con una dureza y resistencia a la abrasión muy elevadas. Sin embargo, al mismo tiempo limita la ductilidad y la maquinabilidad del material. Al enfriarse aún más, la austenita contenida en la ledeburita sufre transformaciones secundarias, por ejemplo, se transforma en perlita o bainita dependiendo de la velocidad de enfriamiento.
Los eutectoides y los eutécticos son puntos especiales en el diagrama de equilibrio Fe-C en los que una fase se transforma en una mezcla de otras dos:
- En el caso de los eutectoides, la austenita se descompone en ferrita y cementita (perlita)
- En el caso de los eutécticos, el metal líquido se solidifica directamente en una mezcla de austenita y cementita (ledeburita)
Clasificación de las aleaciones de hierro y carbono: aceros y fundiciones
Las aleaciones de hierro y carbono no se clasifican únicamente en función de su estructura, sino principalmente en función de su contenido en carbono. El valor límite que separa los dos grupos principales de materiales es el 2,11 % de C, que corresponde al punto eutectoide en el diagrama de fases Fe-C.
Los aceros son aleaciones de hierro que contienen hasta un 2,11 % de C. Se caracterizan por su buena plasticidad, ductilidad y maquinabilidad. Gracias a la presencia de austenita, ferrita y perlita, los aceros pueden endurecerse, recocerse y templarse, lo que permite modificar su estructura y adaptar sus propiedades a aplicaciones específicas. Se distinguen, entre otros, los siguientes tipos:
- Aceros de bajo carbono (hasta un 0,3 % de C): blandos, fácilmente soldables, utilizados en estructuras portantes.
- Aceros de carbono medio (0,3-0,6 % de C): con propiedades de resistencia equilibradas.
- Aceros de alto carbono (más del 0,6 % de C): duros, resistentes al desgaste, se utilizan para herramientas.
Los hierros fundidos son aleaciones con un contenido de carbono superior al 2,11 % de C, lo que hace que se solidifiquen mediante transformaciones eutécticas y contengan ledeburita. Estos materiales son resistentes al desgaste, fáciles de fundir y relativamente baratos. Sin embargo, también son frágiles y difíciles de mecanizar. Según la forma en la que el carbono esté presente en la estructura (cementita o grafito), se distinguen los siguientes tipos:
- Hierro fundido blanco: con cementita, muy duro pero frágil.
- Hierro fundido gris: con grafito en escamas, más mecanizable y amortiguador de vibraciones.
- Hierro con grafito esferoidal (SG): con grafito esferoidal, con mejores propiedades de resistencia.
- Hierro dúctil: tratado térmicamente, con grafito fino, lo que le confiere una mayor ductilidad.
Aplicación del diagrama de equilibrio Fe-C en la práctica industrial
El diagrama de fases hierro-carbono (Fe-C) es una de las herramientas más importantes utilizadas en la ingeniería de materiales. Nos permite comprender y predecir los cambios estructurales que se producen en las aleaciones de hierro durante el calentamiento y el enfriamiento, lo cual es crucial para planificar los procesos tecnológicos y analizar el rendimiento de los materiales.
El diagrama se puede utilizar, entre otras cosas, para determinar a qué temperaturas se producen las transformaciones de fase, identificar las estructuras cristalinas presentes en un rango de temperatura determinado y comprender cómo cambian las propiedades mecánicas de una aleación con su contenido de carbono. En la práctica, esto permite a los ingenieros diseñar todo el proceso de procesamiento de los materiales, desde la fundición hasta el tratamiento térmico final. El conocimiento del diagrama se utiliza en:
- La selección de parámetros de tratamiento térmico, como el endurecimiento, el recocido, el templado o la normalización
- El diagnóstico estructural de materiales, especialmente, en la evaluación de la calidad de la fundición o la detección de defectos térmicos
- El diseño de composiciones de aleaciones para aplicaciones mecánicas, térmicas y de corrosión específicas
Cabe destacar que el diagrama Fe-C sirve como punto de partida para comprender otros diagramas de fase más complejos, como los de los aceros aleados, en los que, además del carbono, están presentes otros elementos como el cromo, el níquel o el molibdeno, que influyen en las transformaciones de fase y en la formación de nuevas estructuras.
Como resultado, su aplicación abarca casi todas las etapas de la fabricación y el uso de aleaciones de hierro, desde el diseño de la composición química, pasando por simulaciones de transformaciones térmicas, hasta la optimización de la durabilidad y fiabilidad de las piezas y estructuras acabadas de las máquinas.
Diagrama de fases hierro-carbono: resumen
El diagrama de fases hierro-carbono (Fe-C) es la base de la ingeniería de materiales y la metalurgia modernas. Nos permite comprender cómo los cambios en el contenido de carbono y la temperatura afectan a la microestructura, las propiedades mecánicas y el comportamiento tecnológico de las aleaciones de hierro. Con este conocimiento, los ingenieros pueden diseñar de manera consciente los procesos tecnológicos y seleccionar los materiales adecuados para las diversas aplicaciones.
La comprensión del diagrama Fe-C permite controlar las transformaciones de fase, como la transformación eutectoide de la austenita en perlita o la solidificación eutéctica de las aleaciones de hierro fundido en una estructura de ledeburita. Esto permite un obtener un control preciso de la dureza, la plasticidad, la resistencia a la abrasión y la susceptibilidad al tratamiento térmico, lo que se traduce directamente en la durabilidad y fiabilidad de los componentes estructurales.
Aunque el diagrama de fases Fe-C parece relativamente sencillo, su importancia práctica es enorme. A partir de su análisis, se inicia el diseño del acero y el hierro fundido y su modificación, así como el diagnóstico de la microestructura y las causas de los daños en los productos acabados. En este sentido, el diagrama de equilibrio Fe-C no es solo una herramienta académica, sino un instrumento cotidiano para los ingenieros que les permite combinar la teoría con la práctica en beneficio de la durabilidad, la seguridad y la eficiencia de toda la infraestructura técnica basada en el hierro.
