Diagrama hierro-carbono (Fe-C)

En el diagrama de equilibro, o de fases, Fe-C se representan las transformaciones que sufren los aceros al carbono con la temperatura, admitiendo que el calentamiento (o enfriamiento) de la mezcla se realiza muy lentamente de modo que los procesos de difusión (homogeneización) tienen tiempo para completarse. Dicho diagrama se obtiene experimentalmente identificando los puntos críticos —temperaturas a las que se producen las sucesivas transformaciones— por métodos diversos.

Microconstituyentes

El hierro puro presenta tres estados alotrópicos a medida que se incrementa la temperatura desde la ambiente:

• Hasta los 911 °C, el hierro ordinario, cristaliza en el sistema cúbico centrado en el cuerpo (BCC) y recibe la denominación de hierro α o ferrita. Es un material dúctil y maleable responsable de la buena forjabilidad de las aleaciones con bajo contenido en carbono y es ferromagnético hasta los 770 °C (temperatura de Curie a la que pierde dicha cualidad). La ferrita puede disolver muy pequeñas cantidades de carbono.
• Entre 911 y 1400 °C cristaliza en el sistema cúbico centrado en las caras (FCC) y recibe la denominación de hierro γ o austenita. Dada su mayor compacidad la austenita se deforma con mayor facilidad y es paramagnética.
• Entre 1400 y 1538 °C cristaliza de nuevo en el sistema cúbico centrado en el cuerpo y recibe la denominación de hierro δ que es en esencia el mismo hierro alfa pero con parámetro de red mayor por efecto de la temperatura.

A mayor temperatura el hierro se encuentra en estado líquido.
Si se añade carbono al hierro, sus átomos podrían situarse simplemente en los intersticios de la red cristalina de éste último; sin embargo en los aceros aparece combinado formando carburo de hierro (Fe₃C), es decir, un compuesto químico definido y que recibe la denominación de cementita de modo que los aceros al carbono están constituidos realmente por ferrita y cementita.

Transformación de la austenita

El diagrama de fases Fe-C muestra dos composiciones singulares:

• Un eutéctico (composición para la cual el punto de fusión es mínimo) que se denomina ledeburita y contiene un 4,3% de carbono (64,5 % de cementita). La ledeburita aparece entre los constituyentes de la aleación cuando el contenido en carbono supera el 2% (región del diagrama no mostrada) y es la responsable de la mala forjabilidad de la aleación marcando la frontera entre los aceros con menos del 2% de C (forjables) y las fundiciones con porcentajes de carbono superiores (no forjables y fabricadas por moldeo). De este modo se observa que por encima de la temperatura crítica A₃²⁰ los aceros están constituidos sólo por austenita, una solución sólida de carbono en hierro γ y su microestructura en condiciones de enfriamiento lento dependerá por tanto de las transformaciones que sufra ésta.
• Un eutectoide en la zona de los aceros, equivalente al eutéctico pero en estado sólido, donde la temperatura de transformación de la austenita es mínima. El eutectoide contiene un 0,77 %C (13,5% de cementita) y se denomina perlita. Está constituido por capas alternas de ferrita y cementita, siendo sus propiedades mecánicas intermedias entre las de la ferrita y la cementita.

La existencia del eutectoide permite distinguir dos tipos de aleaciones de acero:

• Aceros hipoeutectoides (< 0,77% C). Al enfriarse por debajo de la temperatura crítica A₃ comienza a precipitar la ferrita entre los granos (cristales) de austenita y al alcanzar la temperatura crítica A₁ la austenita restante se transforma en perlita. Se obtiene por tanto a temperatura ambiente una estructura de cristales de perlita embebidos en una matriz de ferrita.
• Aceros hipereutectoides (>0,77% C). Al enfriarse por encima de la temperatura crítica se precipita el carburo de hierro resultando a temperatura ambiente cristales de perlita embebidos en una matriz de cementita.

 

Propiedades mecánicas

Propiedades mecánicas

Están relacionadas con la forma en que reaccionan los materiales cuando actúan fuerzas sobre ellos. Las más importantes son:

Elasticidad. Capacidad que tienen algunos materiales para recuperar su forma, una vez que ha desaparecido la fuerza que los deformaba.

Plasticidad. Habilidad de un material para conservar su nueva forma una vez deformado. Es opuesto a la elasticidad. 

Ductilidad. Es la capacidad que tiene un material para estirarse en hilos (por ejemplo, cobre, oro, aluminio, etcétera).

Maleabilidad. Aptitud de un material para extenderse en láminas sin romperse (por ejemplo, aluminio, oro, etc.).

Dureza. Oposición que ofrece un cuerpo a dejarse rayar o penetrar por otro o, lo que es igual, la resistencia al desgaste.

Fragilidad. Es opuesta a la resiliencia. El material se rompe en añicos cuando una fuerza impacta sobre él.

Tenacidad. Resistencia que opone un cuerpo a su rotura cuando está sometido a esfuerzos lentos de deformación.

Fatiga. Deformación (que puede llegar a la rotura) de un material sometido a cargas variables, inferiores a la de rotura, cuando actúan un cierto tiempo o un número de veces.

Maquinabilidad. Facilidad que tiene un cuerpo a dejarse cortar por arranque de viruta.

Acritud. Aumento de la dureza, fragilidad y resistencia en ciertos metales como consecuencia de la deformación en frío.

Colabilidad. Aptitud que tiene un material fundido para llenar un molde.

Resiliencia. Resistencia que opone un cuerpo a los choques o esfuerzos bruscos.

Clasificación de los materiales

LOS MATERIALES: ORIGEN Y CLASIFICACIÓN

Para poder llevar a cabo un estudio sistemático de los materiales que el ser humano utiliza para satisfacer sus necesidades, hemos de distinguir entre materia prima y material elaborado.

Denominamos materia prima al material natural que se obtiene de la naturaleza y que puede ser aprovechado directamente o bien ser sometido a diversas transformaciones.

El material elaborado es el que se obtiene después de someter la materia prima a las transformaciones oportunas.

Para estudiar los materiales pueden hacerse diferentes clasificaciones atendiendo a distintas características

Desde el punto de vista de su composición, se agrupan en dos grandes categorías: los materiales metálicos y los no metálicos.

- Los materiales metálicos son aquellos cuya base fundamental está constituida por un metal, como el hierro, el cobre, el cinc, el aluminio, el plomo, el estaño y otros.

Por su especial utilidad en el campo industrial, distinguiremos dos tipos: los materiales férricos, o materiales derivados del hierro, y los materiales no férricos, derivados del resto de los metales.

- Los materiales no metálicos están formados por aquellos en cuya composición no intervienen los metales como componente básico.

Dependiendo de su origen, distinguiremos los materiales naturales, como la seda o el cuarzo, lo sintéticos, como el hormigón o el vidrio, y los materiales auxiliares, en los que se incluyen los pulimentos, las pinturas, los lubricantes, los insecticidas y otros.