Diagrama Hierro Carbono y su Importancia en la Metalurgia del Acero

Bienvenidos amigos y feliz año 2024

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.

Fig. 1 Diagrama Fe-C

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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Aceros para herramientas: Preparación Metalográfica y Análisis Microestrutural

Los aceros para herramientas son un tipo especial de aceros aleados cuya aplicación esta limitada a herramientas de corte y conformado, entre los aceros para herramientas más comunes estan los tipo W (temple en agua, ejemplo W1), los tipo S que son resistentes al impacto, los tipo O que son aceros templados en aceite, los tipo T que son aceros de alta velocidad a base de tungsteno, entre otros aceros.

La preparación metalográfica de los aceros para herramientas no es muy diferente a la preparación metalográfica de un acero al carbono o aleado, cabe destacar que algunos aceros para herramientas pueden contener niveles de elementos aleantes muy superiores a los de un acero al carbono por lo que la preparacion de estas muestras pueden variar significativamente.

El reactvo más utilizado para aceros para herramientas es el Nital 2-5%. este reactivo se utiliza generalmente para aceros para herramientas independientemente de los componentes microestructurales previstos. 

Otro reactivo importante en el ataque de estas muestras es el picral (4% de ácido pícrico en etanol) el cual es útil si se desea observar microestructura martensítica.

AISI W1

La figura arriba muestra la microestructura de un acero para herramienta W1 en estos aceros se puede obtener una estructura martensítica acompañada de la cementita, la composición de carbono estimada está entre 0,6 a 1 %. En algunas ocasiones y dependiendo del tratamiento térmico pueden aparecer carburos no disueltos en la matriz.

AISI L6

En la siguiente imagen tenemos a los aceros para herramientas con fines especiales, aqui los aceros estan aleados con Niquel, Cromo, Molibdeno y Vanadio. Estos elementos aportan resistencia al desgaste del metal sin embargo sus contenidos son muchos menores que en otros aceros para herramientas. La microestructura es de tipo martensítica con presencia de bainita

AISI S2

La siguiente figura  muestra la microestructura de un acero para herramienta S2 estos aceros deben soportar repetivas cargas, por lo que deben ser muy resistentes, aqui los elementos aleantes tales como el Cromo, Silicio, Molibdeno y Tungsteno juegan un papel importante para mejorar la templabilidad y la resistencia al desgaste.

AISI T1

La siguiente figura  muestra la microestructura de uno de los aceros aleados con mayor contenido de elementos aleantes ya que las aplicaciones industriales de este acero lo llevan a trabajos a altas velocidades tales como las brocas empleadas en los taladros por ejemplo. La microestructura de estos aceros es martensita revenida con partículas de carburos no disueltos en la matriz.

Como conclución, esto son algunos de los aceros para herramientas sin embargo existen otros grupos especiales para aplicaciones específicas estan los del grupo O que son los templados en aceite, H para aplicaciones en caliente, P para ser usados en moldes

Referencia consultadas

ASTM Metals handbook Volumen 9

Indices de Miller y su relación con la difracción de rayos X

 Hola amigos y bienvenidos de nuevo a este blog educativo, hoy quiero hablarles de los indices de miller y su relación con la difraccion de rayos X

Para comenzar, vamos a hacer un pequeño resumen sobre las estructuras cristalinas. Los materiales sólidos como el acero, el aluminio, los latones y bronces, el plastico y los minerales pueden tener diferentes tipos de estructuras, pero las estructuras cristalinas son aquellas en las que los átomos, iones o moléculas están ordenados en un patrón regular y repetitivo en el espacio tridimensional.

Existen varios tipos de estructuras cristalinas, pero nos enfocaremos en los sistemas cúbico, tetragonal y hexagonal, que son los más comunes. Cada uno de estos sistemas tiene características específicas en cuanto a la forma en que se ordenan los átomos en la red cristalina. 

1. Sistema cristalino cúbico:

En este sistema, los átomos se organizan en una red tridimensional con combinaciones de ejes x, y, y z que son perpendiculares entre sí, todos de igual longitud. Existen tres tipos de redes cristalinas cúbicas: la cúbica centrada en el cuerpo o BCC, la cúbica centrada en las caras o FCC y cúbica simple.

El hierro (Fe) es un metal que pertenece al sistema cristalino cúbico centrado en el cuerpo a temperatura ambiente.

2. Sistema cristalino hexagonal:

En este sistema, los átomos se organizan en una red tridimensional con ejes x e y perpendiculares entre sí, pero el eje z es inclinado en un ángulo de 120 grados. Además, la longitud del eje z es mayor que la de los otros dos ejes. La estructura cristalina hexagonal solo tiene una variante.

El magnesio (Mg) es un metal que pertenece al sistema cristalino hexagonal.

3. Sistema cristalino tetragonal:

En este sistema, los átomos se organizan en una red tridimensional similar a la del sistema cúbico, pero con ejes x e y perpendiculares entre sí, mientras que el eje z es de longitud distinta y perpendicular a los otros dos ejes. Al igual que en el sistema cristalino cúbico, existen tres tipos de redes cristalinas tetragonales: tetragonal centrada en el cuerpo, tetragonal centrada en las caras y tetragonal simple.

El circonio (Zr) es un metal que pertenece al sistema cristalino tetragonal centrado en el cuerpo.

Ahora, cuando se conoce y se comprende las estructuras crsitalinas una amplia variedad de compuestos metálicos, soluciones sólidas aparecen, cada uno con sus caracteristicas únicas. Los estudiosos de la crsitalografían encuentran en los índices de Miller una herramienta importante para estudiar estos compuestos.

El índice de Miller,  se utiliza para describir los planos y direcciones cristalinas, es una notación matemática que indica la relación relativa entre los planos y direcciones en una estructura cristalina.

Para determinar el índice de Miller de un plano, primero necesitamos identificar los puntos de intersección del plano con los ejes cartesianos X, Y y Z. Luego, tomamos el inverso de esos valores de intersección y los multiplicamos por un factor común para obtener números enteros. Por ejemplo, si un plano interseca el eje X en 1/4, el eje Y en 1/2 y el eje Z en 1/8, el índice de Miller del plano sería (4, 2, 8).

Para determinar el índice de Miller de una dirección, se siguen pasos similares. Identificamos los puntos en los que la dirección corta los ejes cartesianos, tomamos los inversos y multiplicamos por un factor común. La notación de dirección tiene la forma [uvw].

Imaginemos que tenemos una estructura cristalina cúbica con un plano que pasa por las intersecciones de los ejes a 1/2, b 1/4 y c 1/8. ¿Cuál es el índice de Miller de este plano?

Para obtener el índice de Miller del plano, tomamos el inverso de los valores de intersección y los multiplicamos por un factor común. En este caso, si multiplicamos por 8, obtenemos (4, 2, 1), por lo que el índice de Miller del plano sería (4, 2, 1).

Supongamos que tenemos ahora una dirección que corta los ejes cartesianos a -1/2a, 1/4b y 2c. ¿Cuál es el índice de Miller de esta dirección?

Siguiendo el mismo procedimiento, tomamos el inverso de los valores de intersección y los multiplicamos por un factor común. En este caso, si multiplicamos por 4, obtenemos (-2, 1, 8), por lo que el índice de Miller de la dirección sería [-2, 1, 8].

Fijense que comenzamos hablando de las estructuras cristalinas y a partir de ellas utilizamos los índices de Miller para determinar planos y direcciones cristalográficas, en la metalurgia mecánica los planos y direcciones pueden informarnos de como se desplazan los átomos cuando estan sometidos a esfuerzos, movimiento de dislocaciones y vacancias. En la metalurgia física estos estudios permiten relacionarlos con la difracción de rayos X que es una herramienta que permite identificar un compuesto en particular.

Los compuestos poseen huellas digitales únicas y cuando utilizamos difracción de rayos X lo que se busca es identificar dichas huellas, laonda electromagnética del rayo X se encuentra con una red de átomos orientados tridimensionalmente siguiendo sus planos cristalinos, al interactuar se forman picos de difracción en un patrón de difracción de rayos X. La intensidad de esos picos se puede utilizar para determinar la estructura y composición de aleaciones.

Los metales tóxicos en la manipulación y preparación metalográfica: Riesgos y recomendaciones adicionales

Fig. 1 Partículas metálicas 

Introducción

La toxicología es una disciplina que estudia los efectos nocivos de sustancias químicas en los seres vivos y, en particular, en la salud humana. En el ámbito de la metalurgia y la preparación metalográfica, existen una serie de metales altamente tóxicos que pueden representar riesgos para la salud si se manejan o preparan incorrectamente. En este artículo, exploraremos los metales más peligrosos en dichos procesos, los riesgos asociados y proporcionaremos recomendaciones adicionales para garantizar la seguridad de quienes trabajan con ellos.

I. Metales altamente tóxicos utilizados en la preparación metalográfica

1. Mercurio:

El mercurio es uno de los metales más peligrosos debido a su amplia toxicidad. Es comúnmente utilizado en la amalgamación de muestras para facilitar el pulido y la observación microscópica. La inhalación de vapores de mercurio causa daño neurológico, trastornos renales y puede ser fatal. Se debe evitar el contacto directo con el mercurio y utilizar equipos de protección adecuados.

2. Plomo:

El plomo es otro metal altamente tóxico y se utiliza en aleaciones metálicas para mejorar la durabilidad. Sin embargo, durante el proceso de pulido y abrasión, el plomo puede liberar partículas en el aire y provocar envenenamiento por plomo. Los efectos incluyen daño cerebral, retraso en el desarrollo y problemas de comportamiento. Es esencial utilizar medidas de control de exposición, como equipos de protección respiratoria y eliminación segura de desechos.

3. Cadmio:

El cadmio es un metal ampliamente utilizado en aleaciones y recubrimientos, pero su manipulación inadecuada puede ser peligrosa para la salud. La inhalación o ingestión de partículas de cadmio puede provocar disfunción renal, daño pulmonar y afectar el sistema inmunológico. Se recomienda una buena ventilación en los espacios de trabajo y evitar la exposición directa a este metal.

4. Berilio

El berilio es un elemento químico que puede ser tóxico cuando se inhala en forma de polvo o se ingiere. La exposición prolongada al berilio puede causar una enfermedad pulmonar grave conocida como enfermedad pulmonar del berilio. Esta enfermedad puede afectar gravemente la función pulmonar y causar síntomas como dificultad para respirar, tos crónica y fatiga. Además, el berilio también es considerado carcinogénico, lo que significa que puede aumentar el riesgo de desarrollar cáncer en ciertas situaciones de exposición prolongada. Por lo tanto, se considera que el berilio es tóxico y se deben tomar precauciones adecuadas al manejar y trabajar con este elemento.

II. Riesgos para la salud y recomendaciones adicionales

1. Exposición cutánea:

El contacto con los metales tóxicos puede provocar irritación en la piel, dermatitis o incluso absorción a través de ella. Se debe utilizar ropa protectora, guantes adecuados y lavarse bien las manos después de manipular estos metales.

2. Inhalación de partículas:

Las partículas metálicas finas generadas durante la preparación metalográfica pueden ser inhaladas y causar daño en los pulmones. Es esencial utilizar equipos de protección respiratoria, como máscaras con filtros adecuados, y trabajar en áreas con una buena ventilación.

3. Eliminación segura de desechos

Los desechos contaminados con metales tóxicos deberán ser eliminados de manera segura siguiendo las regulaciones locales y nacionales. Nunca deben ser desechados en la basura normal.

4. Conciencia y formación

Es fundamental que todos los involucrados en la manipulación y preparación metalográfica estén adecuadamente capacitados sobre los riesgos asociados con los metales tóxicos y las medidas de seguridad necesarias.

Cabe destacar para concluir que muchos de estos metales son procesados utilizando la técnica de metalurgia de polvos de tal manera que, su procesamiento difiere del tradicional que se conoce y a su vez el manejo de estos polvos debe ser muy importante por su toxicidad.

No solo los metales Be, Pb, Cd, Hg son de alto riesgo tambien esta el Uranio y sus aleaciones que solo pueden ser procesados bajo licencias especiales debido a su alta toxicidad.

¿Que son los Light Metals?

Buenos dias y bienvenidos de nuevo, hoy hablaremos de los metales ligeros calificados como "light metals"

Los "Light Metals" son un grupo de metales caracterizados por su baja densidad y peso relativamente ligero en comparación con otros metales. La ligereza de estos metales se debe a su baja densidad atómica o a su estructura cristalina.

Los metales más comunes considerados "light metals" son el aluminio, el magnesio y el titanio. Estos metales son ampliamente utilizados en diferentes industrias debido a sus propiedades únicas.Además de los metales mencionados, otros metales considerados como "light metals" (metales ligeros) son:

1. Litio: Es el metal más ligero y tiene una baja densidad y alta conductividad eléctrica. Se utiliza en baterías recargables de iones de litio, aleaciones de aluminio-litio en la industria aeroespacial y en la producción de vidrios y cerámicas.

2. Berilio: Es un metal extremadamente ligero y rígido, con una excelente conductividad térmica. Se utiliza en la industria aeroespacial y de defensa para aplicaciones de alta tecnología, así como en la fabricación de equipos electrónicos y componentes de rayos X y láseres.

3. Boro: Aunque es más comúnmente considerado un no metal, el boro también se clasifica como metal ligero por su baja densidad. Se utiliza en la industria nuclear, en aleaciones para la fabricación de metales de alta resistencia y en fibras químicas resistentes al fuego.

4. Magnesio: Aunque ya ha sido mencionado, vale la pena destacar que el magnesio también se considera un metal ligero debido a su baja densidad. Se utiliza en la industria automotriz para aligerar el peso de los vehículos y mejorar la eficiencia del combustible, así como en aleaciones para la fabricación de estructuras ligeras.

Estos metales ligeros tienen propiedades como baja densidad, alta resistencia a la tracción, excelente conductividad térmica y eléctrica, y resistencia a la corrosión. Debido a estas propiedades, se utilizan en aplicaciones que requieren reducción de peso, como la industria aeroespacial, automotriz y de transporte en general. También se utilizan en baterías, dispositivos electrónicos, equipos médicos, construcción y deportes, entre otros.

Propiedades características:

1. Baja densidad: Los "light metals" tienen una baja densidad en comparación con otros metales, lo que los hace altamente apreciados en aplicaciones donde se requiere un peso reducido, como en la industria aeroespacial.

2. Alta resistencia a la tracción: A pesar de su baja densidad, los "light metals" poseen una alta resistencia a la tracción, lo que los hace ideales para aplicaciones de carga estructural en las que se busca mantener una estructura liviana pero resistente.

3. Buena conductividad térmica y eléctrica: Estos metales son excelentes conductores de calor y electricidad, lo que los convierte en materiales útiles en aplicaciones donde se requiere una transferencia eficiente de calor o electricidad, como en la industria electrónica.

4. Buena resistencia a la corrosión: Los "light metals" tienen una buena resistencia a la corrosión, lo que los hace adecuados para aplicaciones en entornos corrosivos o en la fabricación de equipos marinos.

Aplicaciones:

1. Industria automotriz: El aluminio y el magnesio se utilizan en la fabricación de componentes de automóviles para reducir el peso total del vehículo y mejorar la eficiencia del combustible.

2. Industria aeroespacial: El aluminio, el titanio y el magnesio se emplean en la fabricación de componentes aeroespaciales, como partes estructurales de aeronaves, hélices y piezas de motores, debido a su ligereza y resistencia.

3. Construcción: El aluminio se utiliza ampliamente en la construcción debido a su bajo peso, alta resistencia y buena resistencia a la corrosión. Se utiliza en marcos de ventanas, revestimientos exteriores y estructuras ligeras.

4. Industria electrónica: El aluminio es utilizado como conductor eléctrico en cables y alambres debido a su buena conductividad eléctrica. Además, el magnesio se utiliza en la fabricación de componentes electricos debido a su bajo peso y buenas propiedades térmicas.

Fig. 1 Microestructura de una Aleación de Mg LA141A-O 250X

La figura 1 muestra la microestructura de un metal ligero compuesto de Mg-1.2Al y 14% Li como puede apreciarse el crecimiento de grano se debe al proceso de recocido empleado en la pieza, su microestructura se puede apreciar homogénea perfectamente.

Fig. 2 Microestrctura de una aleación C17200. 400X

En el caso de la figura 2 se puede apreciar una microestructura de una aleación Cu-1,8%Be, el Berilio le agrega junto al cobalto un compuesto intermediario que aumenta la resistencia del material cuando este esta en condición de revenido. Esta en una de las aleaciones más usadas por su capacidad de endurecimiento por precipitación (1520Mpa)

Quiero indicar que el Berilio es un metal tóxico así que la preparación metalográfica debe ser con cuidado extremo, en publicaciones futuras hablaré con mas detalle de este y otros metales "tóxicos"