Formas alotrópicas del hierro y sus combinaciones con el carbono (página 2)

En la figura 2 se muestra la curva
de enfriamiento del hierro puro,
en la que se ven las transformaciones alotrópicas del
mismo. El punto critico a 1535° C, se debe a la
cristalización primaria del hierro

4.-
ANÁLISIS DE LA CURVA DE FORMAS ALOTRÓPICAS DEL
HIERRO PURO.

En el intervalo entre los 1535 °C y 1390 °C, el hierro
tiene la red cristalina
"cúbica centrada en el cuerpo"(b.c.c por sus siglas en
inglés), con sus distancias
interatómicas(parámetros) iguales a 2.93°A (
Ángstrom, 1 °A = 10-8 cm.), y se denomina hierro
d(Fed). A los 1390°C, se realiza la reestructuración
de la red cúbica centrada en el cuerpo, en la red
cúbica centrada en las caras (cristalización
secundaria), con sus parámetros más grandes e
iguales a 3.65 Ángstrom, llamado hierro g(Feg). En el
intervalo entre 1390 y 910 °C, el hierro se encuentra en la
forma alotrópica (. A la temperatura de
910 °C, la red cúbica centrada en las caras Fe(, se
transforma en la red cúbica centrada en el cuerpo
Fecon el
parámetro de la red menor que las otras dos e igual a 2.90
°A; esto nos da a entender que el hierro, al igual que todas
las sustancias, al enfriarse se contrae. A la temperatura de
768ºC, la red del hierro es cúbica centrada en el
cuerpo, pero con su parametro disminuyendo a
2.88ºA,denominado hierro a(Fea)

El tramo horizontal en la curva de enfriamiento a 768°C
(A2), no está ligada con el cambio de
estructura de
la red (salvo que las distancias interatómicas disminuyen
de 2.90 a 2.88 angstroms), sino con el surgimiento de propiedades
magnéticas en el hierro a temperaturas menores. A
temperaturas superiores a 770°C, el Feβ es no
magnético.

El cambio estructural de la red cristalina del hierro, trae
consigo la modificación de algunas otrtas de sus
propiedades: por ejemplo el Fea casi no disuelve el carbono; el
Fea lo disuelve hasta en 2%, y el Fey lo disuelve hasta en
0.1%.

5.-
ALEACIONES

Se denomina aleación o aleación metálica,
a una sustancia que posee propiedades metálicas y que
está compuesta de dos o mas elementos, uno de ellos metal
y el otro puede ser otro metal o un no metal. El método
ordinario de preparación de las aleaciones es
la fusión conjunta (o sea la mezcla de los dos
elementos en estado de
fusión), pero a veces se utiliza la
sinterización, la electrólisis o la
sublimación.

En la mayoría de los casos, los componentes en estado
de fusión
que forman parte de la aleación son totalmente solubles el
uno en el otro, es decir, forman una solución
liquida en la que los átomos de los distintos
elementos, de manera mas o menos uniforme están mezclados
entre si. Cuando solidifican, estas soluciones
líquidas, pueden formar ya en estado sólido, los
siguientes tipos de aleaciones:1) Soluciones sólidas,
2) Compuestos químicos 3) Mezclas
mecánicas.

5.1) Aleaciones que son soluciones sólidas.

Una aleación es una solución sólida,
cuando los átomos del elemento soluto se introducen en la
red cristalina del elemento disolvente sin modificar su
forma. La microestructura (o sea la vista al microcopio de
los granos) de una solución sólida, presenta granos
homogéneos también parecidos a los granos del
elemento disolvente, y por medio del análisis químico pueden
identificarse las diferentes sustancias; por lo tanto las
soluciones sólidas son monofásicas ya que solo
tienen un tipo de granos.

Se tiene dos tipos de soluciones sólidas: Las
soluciones sólidas de sustitución, que son
aquellas en las que los átomos del elemento disuelto
(soluto) ocupan los nudos de los átomos del elemento
disolvente en su red cristalina, sin modificarla, siendo ambos
casi del mismo tamaño, y las soluciones sólidas
intersticiales las cuales son aquellas en las que los
átomos del elemento soluto se sitúan en los
intersticios, entre los átomos del elemento disolvente,
siendo el tamaño de los átomos del elemento
disuelto aproximadamente de la mitad del tamaño de los
átomos de este último. En la figura 3, se presenta
la disposición de los átomos (iones) en la
estructura cristalina de los dos tipos de soluciones
sólidas: las de sustitución y las intersticiales.
Las aleaciones hierro carbono se presentan siempre como
soluciones sólidas intersticiales, y ellas son la
Ferrita que es hierro a con carbono intersticial y la
Austerita, que es hierro ? con carbono intersticial.

5.2) Aleaciones que son compuestos químicos

La particularidad característica de un compuesto
químico es la formación de una red cristalina distinta
a las de los elementos constituyentes y la modificación
notable de todas las propiedades. En el caso de las aleaciones
hierro carbono, el compuesto químico que se forma es la
Cementita o Carburo de Hierro; fórmula química Fe3 C, la
cual se presenta cuando la concentración del carbono en el
hierro es de 6.67%.

5.3) Aleaciones que son mezclas mecánicas.

Si los elementos que entran en la composición de la
aleación no se disuelven el uno en el otro en estado
sólido, y no reaccionan químicamente dando lugar a
la formación de un compuesto químico, entonces
dichos elementos forman mezclas mecánicas. En este caso,
los átomos de cada elemento forman redes cristalinas separadas
y por lo tanto granos separados y las propiedades de la
aleación resultan intermedias entre las de los elementos
que la constituyen; de tal manera que si se tiene mas abundancia
de un elemento que de otro, las propiedades de la aleación
se parecen mas a las del elemento mas abundante y viceversa. Las
mezclas mecánicas que se forman en las aleaciones
hierro-carbono son: la perlita y la ledeburita; la
perlita se forma durante el enfriamiento lento a partir de la
austenita a la temperatura constante de 727 º C; ya en
estado sólido, en el área de los aceros,
denominándose estos como aceros eutectoides
cuando el contenido de carbono es de 0.8%, el grano de perlita
esta constituido por una estratificación alternada de
ferrita y cementita. La ledeburita se forma a la temperatura
constante de 1147º C, a partir de la aleación en
estado líquido, durante la solidificación, en el
área de las fundiciones o hierros
fundidos, llamándoseles fundiciones
eutécticas aquellas que contienen 4.3% C; el
grano de ledeburita esta caracterizado por una
estratificación alternada de austenita y
cementita. Si a los aceros que contienen 0.8 %C, se les
llama aceros eutectoides, a los que contienen menos de
0.8% C, se les denomina aceros hipoeutectoides y
están formados por granos de perlita y ferrita, los que
contienen mas de 0.8% C se le llama aceros hipereutectoides,
y está formados por granos de perlita y cementita Las
fundiciones con menos de 4.3% C se les denomina
hipoeutécticas, las cuales están formadas
por granos de ledeburita y perlita, las que contiene más
de 4.3% se les llama hipereutécticas y
están formadas por granos de ledeburita y cementita

6.-
CARACTERISTICAS DE LAS ESTRUCTURAS QUE SE FORMAN EN UN
ENFRIAMIENTO LENTO DE LAS ALEACIONES HIERRO
CARBONO

6.1. Ferrita

De acuerdo con lo explicado líneas arriba, la
solución sólida intersticial de carbono en el
hierro se llama
ferrita. El hierro casi no disuelve carbono, la solubilidad
máxima de carbono en el hierro es de 0.025% a una temperatura de 723º
C y de 0.0025% a 20º C. La solubilidad del carbono en el
hierro d es de 0.1% a 1490º C. La ferrita d es estable
únicamente a temperaturas muy elevadas y no tiene
significado práctico en la ingeniería.

La ferrita es la estructura mas blanda y dúctil de las
aleaciones hierro- carbono, es magnética desde la
temperatura ambiente hasta
768º C. Las propiedades promedio son: resistencia a la
rotura de 28 Kg/mm2, elongación 40% en 2 pulg., de
longitud, dureza 90 Brinell, a continuación figura 4, se
presenta la red cristalina de la ferrita

En la figura 5, se presenta el empaquetamiento de
átomos en la ferrita, en forma de hierro a (no se muestran
los átomos de carbono)

Al microscopio los
granos de ferrita se observan como a continuación, figura
6.

6.2. Austenita

La solución sólida intersticial del carbono
en el hierro ? se llama austenita. La austenita posee buena
ductilidad y por lo tanto buena formabilidad. Esta estructura
tiene una solubilidad del carbono de hasta 2.11%C a 1148º C.
Gracias a que la estructura cúbica centrada en el cuerpo
(f. c .c., por sus siglas en inglés) tiene posiciones
intersticiales más amplias que la ferrita, se facilita que
se alojen los átomos de carbono y otros como níquel
y manganeso, lo que le imparte varias propiedades al acero.
Generalmente la austenita no es estable a la temperatura
ambiente. Las propiedades promedio son: resistencia a la rotura
de 100 Kg/mm2; elongación 10% en 2 pulg.; dureza, de 300
Brinell aproximadamente; y tenacidad alta. No es
magnética.

6.3. Cementita

Como se había mencionado, el hierro con el carbono
forma también una combinación química, el
carburo de hierro Fe3 C, llamada cementita. El contenido de
carbono en la cementita es de 6.67%.

La cementita tiene una red cristalina ortorrómbica
compleja. La temperatura de fusión de la cementita no se
ha podido establecer con exactitud y se considera aproximadamente
igual a 1550º C. A una temperatura inferior a los 217º
C la cementita es ferromagnética. La cementita (del
latín cementum que significa "astillas de
piedra"), también se conoce como carburo. Este carburo no
debe ser confundido con otros carburos que se utilizan en dados,
herramientas
de corte y abrasivos, como el carburo de tungsteno, el carburo de
titanio y el carburo de silicio.

La cementita es un compuesto intersticial muy duro y
frágil, con una dureza de 700 Brinell y tiene una
influencia significativa en las propiedades de los aceros, tiene
una baja resistencia a la tensión, pero tiene una alta
resistencia a la compresión, es la estructura mas dura que
se presenta en las aleaciones hierro- carbono. En las
micrografías, la cementita se presenta en forma de una red
clara alrededor de los granos de la otra fase sólida que
exista en la aleación

6.4. Perlita

La perlita es una mezcla mecánica de ferrita y cementita, que
contiene 0.8% de carbono, se presenta en el área de los
aceros ( los aceros tiene un porcentaje de carbono que va de 0 a
2.14 %)

En todas las aleaciones hierro carbono, debajo de 727ºC a
un enfriamiento muy lento, se lleva a cabo la reacción
eutectoide (una reacción eutectoide es aquella en la
que al enfriarse una fase sólida se transforma en dos
fases sólidas nuevas), en la cual, la austenita( una fase
sólida) se descompone en una mezcla mecánica muy fina de láminas
estratificadas de ferrita (fase sólida nueva) y cementita
( la otra fase sólida nuieva), llamada perlita,
la micrografia de la perlita se presenta en la siguiente figura
10 y como se ve tiene tipo huella dactilar. Las propiedades
promedio son: resistencia a la tensión, 80 Kg/mm2;
elongación, 20% en 2 pulg; dureza de 260 Brinell.

6.5. Ledeburita

Mezcla eutectica de austenita y cementita (
la reacción eutectica se presenta a temperatura constante
al enfriar muy lentamente un líquido, obteniendose
entónces dos sólidos puros distintos, estos
sólidos solidifican alternartivamente, resultando una
mezcla muy fina generalmente visible solo al microscopio),
contiene 4.3% de carbono, y se lleva a cabo a 1147ºC. Su
vista al microscopio es similar al de la perlita. Se presenta en
el área de las fundiciones en el rango de porcentajes de
carbono de 2.14% a 6.67%C

7.-
TRANSFORMACIÓN MARTENSÍTICA

La martensita es la estructura básica del acero
templado y se obtiene a partir del enfriamiento rápido de
la austenita. En la mayoria de los casos se aspira a obtener en
el acero esta estructura debido a que el acero templado a
martensita tiene una dureza a de 50-68 Rockwell C, su resistencia
a la rotura de 175 a 250 Kg/cm2 y su alargamiento de 2.5 a 0.5%.
Es magnética

La martensita tiene una naturaleza que
se distingue completamente de otras estructuras y
se forma de distinto modo que las estructuras ferrito –
cementíticas.

Una particularidad caracteristica de la transformación
austenitico -martensítica es que la misma transcurre sin
difusión de los atomos. Durante un sobreenfriamiento
fuerte, el carbono no alcanza a separase de la solución
sólida austenitica en forma de partículas de
cementita, como sucede cuando se tiene enfriamiento lento en el
que se obtiene perlita (cementita- ferrita). En vez de eso, tiene
lugar la rteestructuración de la red del hierro ? en la
del hierro a; y entónces los átomos de carbono
quedan atrapados en la red del hierro a y por esta razón
la distorsionan fuertemente. Esta red cristalina distorsionada se
denomina red tetragonal, figura 12; en esta, el parámetro
"c" es mayor que "a", y por consiguienete la relación de
los parámetros c/a>1. El grado de distorsión
es tanto mayor cuanto mas carbono tiene el acero. En
consecuencia la martensita no es más que una
solución sólida de carbono en el hierro a. En la
solución saturada de carbono en hierro a, este no puede
tener masde 0.02%, mientra que el contenido de carbono en la
martensita es el mismo que en la austenita; o sea mucho mayor
(máximo 2.12 % a 1148º C), de modo que la martensita
representa una solución sólida sobresaturada.

El cristal de martensita tiene la forma de una lámina
delgada, que al microscopio se ven como agujas de distinto
espesor , ver figura 13 a continuación.

BIBLIOGRAFIA

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1988

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Madrid,1968

Espinosa, Heliodoro H. Tecnologia de los materiales. Razo y Aguilar Impresores,
México, 1979

Lajtin, Yu. M. Metalografia y tratamiento termico de los
metáles, Edit.Mir,Moscú,
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Malishev, A, Nikolaiev G,Shuvalov Y. Tecnologia de los
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Edit.Mir,Moscú, 1975

Neely, John E. Metalurgia y materiales industriales, Edit.
Limusa, S.A de C.V., México, 1995

Kalpakjian, Serope, Schmid, Teven R Manufactura,
Ingenieria y Tecnologia, Pearson Educación,
México, 2002

Autor:

Julio César de Jesús
Balanzá Chavarria

Currículo:

M en C. Julio César de Jesús Balanzá
Chavarria

Nacimiento: 16 de mayo de 1941, Tampico, Tamaulipas,
México.

Jubilado del departamento de Mantenimiento
Equipo Dinámico e Instrumentos de PEMEX Exploración
Producción de Poza Rica, Veracruz,
México.

Docente en la Facultad de Ingenieria Mecánica
Eléctrica desde 1974

Docente en el Instituto Tecnológico Superior de Poza
Rica durante los últimos siete años

Instructor durante la decada de los sesenta en el Instituto
Mexicano del Petróleo
en "Mantenimiento a Instrumentos de
medición y control"

En el Instituto Mexicano del Petróleo durante la decada de los noventa,
encargado de la elaboración de manuales de
mantenimiento a equipo de Producción Pemex.

Ocupación actual: Libre para trabajar en cualesquier
parte en donde se considere se puedan aprovechar sus
servicios

Teléfono: 01 782 82 20081, Poza Rica Veracruz,
México

Títulos Obtenidos:

Ingeniero Mecánico Electricista de la Facultad Nacional
de Ingeniería de la UNAM

M en C. Diseño
Mecánico, Mención Honorífica en el IPN.

Certificante in "Professional Studies In Education" Issued by
the Association Of Colleges, the Bradford College and the
Warwickshire college of the U.K.

Certificante in "English as a Foreign Languaje" Warwickshire
College, U.K.

Libros:

Diseño del Nuevo Alumbrado del parque de Base-Ball en
Poza Rica, Veracruz (Tesis
Licenciatura UNAM)

"Resistencia de Materiales Teoría
y Problemas"
Editado por la Universidad
Veracruzana.

"Diseño del Balancín Elevador de una Unidad de
Bombeo Mecánico Petrolera Mark II" (Tesis Maestría
en el IPN)

Seis artículos publicados en monografias.com