Hoy iniciamo nuestro año hablando de una de las herramientas más importantes de la metalurgia del acero que es el diagrama Fe-C, el diagrama también es conocido como diagrama de equilibrio hierro - carbono es de tipo binario muy utilizado para comprender las transformaciones de fases que experimenta una aleación de hierro y carbono en función de su composición y temperatura.
Este diagrama se divide en tres principales regiones: la zona de aceros, la zona de fundiciones y la zona de transformación de fases. A su vez, estas regiones se subdividen en varias fases y sus respectivas temperaturas de transformación.
En la figura 1 se puede apreciar la zona de aceros, que abarca desde el 0% hasta alrededor del 2,14% de carbono, tenemos la presencia de dos fases principales: la ferrita α (alfa) y la cementita Fe₃C. La ferrita α es una fase sólida de hierro con una estructura cúbica centrada en el cuerpo, y es la fase más suave y dúctil en esta región. La cementita Fe₃C es una fase intermetálica dura y quebradiza.
La zona de las fundiciones, que va aproximadamente desde el 2,14% hasta el 6,7% de carbono, encontramos principalmente la presencia de la cementita Fe₃C. A medida que se aumenta el contenido de carbono, la cementita es la fase dominante y se forman diferentes tipos de fundiciones, como la fundición blanca, las otras fundiciones (grises o nodulares requieren de un tratamiento especial de fabricación)
Ahora bien, vamos a hacer un análisis dependiendo del área de estudio del estudiante, miremos el diagrama como un estudiante de laboratorio de metalografía y microestructuras, a temperatura ambiente solo se puede ver aceros con estructuras ferriticas y perlíticas en el microscopio según el diagrama Fe-C. Las proporciones entre ellas varian segun el % de Carbono, fíjense que la austenita no esta presente a temperatura ambiente, ni la ferrita delta. la única manera de obtener estas microestructuras a temperatura ambiente es con elementos aleantes, pero ese es otro tema.
Si miramos el diagrama como estudiantes de tratamientos térmicos debemos identificar las lineas críticas de transformación del acero en estado sólido, en la figura se puede apreciar las lineas Ae3 y Acm, la mayoría de los tratamientos térmicos tales como temple, normalizado y recocido total ocurren en esa zona sombreada ya sea para aceros de bajo carbono y para alto carbono.Los otros tratamientos tales como nitrurización y recocidos subcriticos buscan mejorar las propiedades del acero y la esferoidización busca modificar las estructura de la cementita, pero no superan los 760°C ya que el proposito no es la austenización.
Si miramos el diagrama desde el punto de vista de fundición fíjense que, a medida que el porcentaje de carbono se agrega al acero la temperatura de fusión de la aleación disminuye, esta es la razón por la que las fundiciones de hierro son más fáciles de procesar por su colabilidad y menos costosas que el acero.
El diagrama tambien muestra el punto de curie, la cual es la temperatura en la cual un material ferromagnético pierde su magnetización cuando se calienta. En el caso del hierro puro, este punto de curie es de aproximadamente 770°C. Sin embargo, en presencia de carbono y otras sustancias en aleaciones de hierro, las temperaturas de curie pueden variar.
Como resumen final podemos decir que el diagrama Fe-C permite, conocer la metalurgia del acero, entender los tratamientos térmicos, comprender las microestructura y su relación con las propiedades mecánicas, identificar las transformaciones en estado líquido y en estado sólido, estudiar la relación magnética del acero y la influencia del contenido de carbono en la aleación.
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Ing. Fernando Medina, Msc