El
hierro:
Fue descubierto en la prehistoria y era utilizado como adorno y para fabricar
armas. Es un elemento metálico, magnético, maleable y de color blanco plateado.
Tiene de número atómico 26 y es uno de los elementos de transición del sistema
periódico El símbolo Fe viene del latín ferrum. Es el cuarto elemento más
abundante en la corteza terrestre (5%) aparentemente se ha combinado con níquel
para formar el volumen del núcleo del planeta aunque pocas veces aparece en
estado puro, es un elemento relativamente abundante en el universo: se
encuentra en el Sol y en muchas estrellas. Es esencial para los humanos, ya que
es la parte principal de la hemoglobina, la cual transporta el oxígeno en la
sangre. El metal puro se produce en altos hornos poniendo una capa de piedra
caliza. Los procesos de obtención del metal y sus aleaciones constituyen la
llamada siderurgia
Características: Es un metal maleable, de
color gris plateado y presenta propiedades magnéticas; es ferromagnético a
temperatura ambiente y presión atmosférica. Es extremadamente duro y denso.
Se encuentra en la
naturaleza formando parte de numerosos minerales, entre ellos muchos óxidos, y
raramente se encuentra libre. Para obtener hierro en estado elemental, los
óxidos se reducen con carbono y luego es sometido a un proceso de refinado para
eliminar las impurezas presentes.
Es el elemento más pesado
que se produce exotérmicamente por fusión, y el más ligero que se produce a
través de una fisión, debido a que su núcleo tiene la más alta energía de
enlace por nucleón (energía necesaria para separar del núcleo un neutrón o un
protón); por lo tanto, el núcleo más estable es el del hierro-56 (con 30
neutrones).
Presenta diferentes formas
estructurales dependiendo de la temperatura y presión. A presión atmosférica:
Hierro-α: estable hasta los
911 °C. El sistema cristalino es una red cúbica centrada en el cuerpo (bcc).
Hierro-γ: 911 °C - 1392 °C;
presenta una red cúbica centrada en las caras (fcc).
Hierro-δ: 1392 °C - 1539 °C;
vuelve a presentar una red cúbica centrada en el cuerpo
.
Hierro-ε: Puede
estabilizarse a altas presiones, presenta estructura hexagonal compacta (hcp).
Ø Propiedades:
Los metales de transición,
también llamados elementos de transición es el grupo al que pertenece el
hierro. En este grupo de elementos químicos al que pertenece el hierro, se
encuentran aquellos situados en la parte central de la tabla periódica,
concretamente en el bloque d. Entre las características que tiene el hierro,
así como las del resto de metales de transición se encuentra la de incluir en
su configuración electrónica el orbital d, parcialmente lleno de electrones.
Propiedades de este tipo de metales, entre los que se encuentra el hierro son
su elevada dureza, el tener puntos de ebullición y fusión elevados y ser buenos
conductores de la electricidad y el calor.
El estado del hierro en su
forma natural es sólido (ferromagnético). El hierro es un elemento químico de
aspecto metálico brillante con un tono grisáceo y pertenece al grupo de los
metales de transición. El número atómico del hierro es 26. El símbolo químico
del hierro es Fe. El punto de fusión del hierro es de 18,8 grados Kelvin o de
1534,85 grados Celsius o grados centígrados. El punto de ebullición del hierro
es de 30,3 grados Kelvin o de 2749,85 grados Celsius o grados centígrados.
El hierro es un mineral que
nuestro organismo necesita para su correcto funcionamiento y se puede encontrar
en los alimentos. A través del siguiente enlace, podrás encontrar una lista de
alimentos con hierro.
Ø Metabolismo
de hierro:
Aunque solo existe en
pequeñas cantidades en los seres vivos, el hierro ha asumido un papel vital en
el crecimiento y en la supervivencia de los mismos y es necesario no solo para
lograr una adecuada oxigenación tisular sino también para el metabolismo de la
mayor parte de las células.
En la actualidad con un
incremento en el oxígeno atmosférico el hierro se encuentra en el medio
ambiente casi exclusivamente en forma oxidada (óferrica Fe3+) y en esta forma
es poco utilizable.
En los adultos sanos el
hierro corporal total es de unos 2 a 4 gramos ( 2,5 gramos en 71 kg de peso en
la mujer ó 35 mg/kg) (a 4 gramos en 80kg o 50 mg/kg en los varones). Se
encuentra distribuido en dos formas:
70% como hierro funcional
(2,8 de 4 gramos):
Eritrocitos (65%).
Tisular: mioglobinas (4%).
Enzimas dependientes del
hierro (hem y no hem): 1%
Estas son enzimas esenciales
para la función de las mitocondrias y que controlan la oxidación intracelular
(citocromos, oxidasas del citrocromo, catalasas, peroxidasas).
Transferrina (0,1%), la cual
se encuentra normalmente saturada en 1/3 con hierro.
La mayor atención con
relación a este tipo de hierro se ha enfocado hacia el eritrón, ya que su
estatus de hierro puede ser fácilmente medible y constituye la principal
fracción del hierro corporal.
30% como hierro de depósito
(1 g):
Ferritina (2/3): Principal
forma de depósito del hierro en los tejidos.
Hemosiderina (1/3).
Hemoglobina: Transporta el
oxígeno a las células.
Transferrina: Transporta el
hierro a través del plasma.
Estudios recientes de
disponibilidad del hierro de los alimentos han demostrado que el hierro del hem
es bien absorbido, pero el hierro no hem se absorbe en general muy pobremente y
este último, es el hierro que predomina en la dieta de gran cantidad de gente
en el mundo.
Hem: Como hemoglobina y
mioglobina, presente principalmente en la carne y derivados.
No hem.
La absorción del hierro hem
no es afectada por ningún factor; ni dietético, ni de secreción
gastrointestinal. Se absorbe tal cual dentro del anillo porfirínico. El hierro
es liberado dentro de las células de la mucosa por la HEM oxigenase, enzima que
abunda en las células intestinales del duodeno.
La absorción del hierro no
hem, por el contrario se encuentra afectada por una gran cantidad de factores
dietéticos y de secreción gastrointestinal que se analizarán posteriormente.
El hierro procedente de la
dieta, especialmente el "no hem", es hierro férrico y debe ser
convertido en hierro ferroso a nivel gástrico antes que ocurra su absorción en
esta forma (hierro ferroso) a nivel duodenal principalmente.
Ø Abundancia
y obtención:
El hierro es el metal de
transición más abundante en la corteza terrestre, y cuarto de todos los
elementos. También existe en el Universo, habiéndose encontrado meteoritos que
lo contienen. Es el principal metal que compone el núcleo de la Tierra hasta
con un 70%. Se encuentra formando parte de numerosos minerales, entre los que
destacan la hematites (Fe2O3), la magnetita (Fe3O4), la limonita (FeO (OH)), la
siderita (FeCO3), la pirita (FeS2), la ilmenita (FeTiO3), etcétera.
Se puede obtener hierro a
partir de los óxidos con más o menos impurezas. Muchos de los minerales de
hierro son óxidos, y los que no, se pueden oxidar para obtener los
correspondientes óxidos.
La reducción de los óxidos
para obtener hierro se lleva a cabo en un horno denominado comúnmente alto
horno (también, horno alto). En él se añaden los minerales de hierro en
presencia de coque y carbonato de calcio, CaCO3, que actúa como escorificante.
Los gases sufren una serie
de reacciones; el carbono puede reaccionar con el oxígeno para formar dióxido
de carbono:
C + O2 → CO2
A su vez el dióxido de
carbono puede reducirse para dar monóxido de carbono:
CO2 + C → 2CO
Aunque también se puede dar
el proceso contrario al oxidarse el monóxido con oxígeno para volver a dar
dióxido de carbono:
2CO + O2 → 2CO2
El proceso de oxidación de
coque con oxígeno libera energía y se utiliza para calentar (llegándose hasta
unos 1900 °C en la parte inferior del horno).
En primer lugar los óxidos
de hierro pueden reducirse, parcial o totalmente, con el monóxido de carbono,
CO; por ejemplo:
Fe3O4 + CO → 3FeO + CO2
FeO + CO → Fe + CO2
Después, conforme se baja en
el horno y la temperatura aumenta, reaccionan con el coque (carbono en su mayor
parte), reduciéndose los óxidos. Por ejemplo:
Fe3O4 + C → 3FeO + CO
El carbonato de calcio
(caliza) se descompone:
CaCO3 → CaO + CO2
Y el dióxido de carbono es
reducido con el coque a monóxido de carbono como se ha visto antes.
Más abajo se producen
procesos de carburación:
3Fe + 2CO → Fe3C + CO2
Finalmente se produce la
combustión y desulfuración (eliminación de azufre) mediante la entrada de aire.
Y por último se separan dos fracciones: la escoria y el arrabio: hierro
fundido, que es la materia prima que luego se emplea en la industria.
El arrabio suele contener
bastantes impurezas no deseables, y es necesario someterlo a un proceso de
afino en hornos llamados convertidores.
Ø Fundiciones:
El hierro es obtenido en el
alto horno mediante la conversión de los minerales en hierro líquido, a través
de su reducción con coque; se separan con piedra caliza, los componentes
indeseables, como fósforo, azufre, y manganeso.
Los gases de los altos
hornos son fuentes importantes de partículas y contienen monóxido de carbono.
La escoria del alto horno es formada al reaccionar la piedra caliza con los
otros componentes y los silicatos que contienen los minerales.
Se enfría la escoria en
agua, y esto puede producir monóxido de carbono y sulfuro de hidrógeno. Los
desechos líquidos de la producción de hierro se originan en el lavado de gases
de escape y enfriamiento de la escoria. A menudo, estas aguas servidas poseen
altas concentraciones de sólidos suspendidos y pueden contener una amplia gama
de compuestos orgánicos (fenoles y cresoles), amoníaco, compuestos de arsénico
y sulfuros.
Cuando el contenido en
carbono es superior a un 2.43% en peso, la aleación se denomina fundición. Este
carbono puede encontrarse disuelto, formando cementita o en forma libre. Son
muy duras y frágiles. Hay distintos tipos de fundiciones:
Gris
Blanca
Atruchada
Maleable americana
Maleable europea
Esferoidal o dúctil
Vermicular
Sus características varían
de un tipo a otra; según el tipo se utilizan para distintas aplicaciones: en
motores, válvulas, engranajes, etc.
Por otra parte, los óxidos
de hierro tienen variadas aplicaciones: en pinturas, obtención de hierro, la
magnetita (Fe3O4) y el óxido de hierro (III) (Fe2O3) en aplicaciones
magnéticas, etc. El hidróxido de hierro (III) (Fe(OH)3) se utiliza en radioquímica
para concentrar los actínidos mediante co-precipitación.
Ø Aplicaciones
El hierro es el metal duro
más usado, con el 95% en peso de la producción mundial de metal. El hierro puro
(pureza a partir de 99,5%) no tiene demasiadas aplicaciones, salvo excepciones
para utilizar su potencial magnético. El hierro tiene su gran aplicación para
formar los productos siderúrgicos, utilizando éste como elemento matriz para
alojar otros elementos aleantes tanto metálicos como no metálicos, que
confieren distintas propiedades al material. Se considera que una aleación de
hierro es acero si contiene menos de un 2,1% de carbono; si el porcentaje es
mayor, recibe el nombre de fundición.
El acero es indispensable
debido a su bajo precio y tenacidad, especialmente en automóviles, barcos y
componentes estructurales de edificios.
Las aleaciones férreas
presentan una gran variedad de propiedades mecánicas dependiendo de su
composición o el tratamiento que se haya llevado a cabo.
Ø Aleaciones:
Son aquéllas en las que el principal componente es el hierro. Gran interés como
material para la construcción de diversos equipos y su producción es muy
elevada, debido a: Abundancia de hierro en la corteza terrestre Técnicas de
fabricación de los aceros es económica. Alta versatilidad. Pero sin duda, uno
de los inconvenientes de estas aleaciones férreas es que estas son de fácil
corrosión. Una Aleación, es una sustancia compuesta por dos o más metales. Las
aleaciones, al igual que los metales puros, poseen brillo metálico y conducen
bien el calor y la electricidad, aunque por lo general no tan bien como los
metales por los que están formadas. Las sustancias que contienen un metal y
ciertos no metales, particularmente las que contienen carbono, también se
llaman aleaciones. La más importante entre estas últimas es el acero. El acero
de carbono simple contiene aproximadamente un 0,5% de manganeso, hasta un 0,8%
de carbono, y el resto de hierro.
2) acero:
El acero es una aleación de hierro con una
pequeña proporción de carbono, que comunica a aquel propiedades especiales
tales como dureza y elasticidad. En general, también se pueden fabricar aceros
con otros componentes como manganeso, niquel o cromo. El hierro es un
constituyente fundamental de algunas de las más importantes aleaciones de la
ingeniería. El hierro es un metal alotrópico, por lo que puede existir en más de
una estructura reticular dependiendo fundamentalmente de la temperatura. Es uno
de los metales más útiles debido a su gran abundancia en la corteza terrestre
(constituyendo más del 5% de esta, aunque rara vez se encuentra en estado puro,
lo más normal es hallarlo combinado con otros elementos en forma de óxidos,
carbonatos o sulfuros) y a que se obtiene con gran facilidad y con una gran
pureza comercial. Posee propiedades físicas y mecánicas muy apreciadas y de la
más amplia variedad.
El hierro técnicamente puro, es
decir, con menos de 0.008% de carbono, es un metal blanco azulado, dúctil y
maleable, cuyo peso específico es 7.87. Funde de 1536.5ºC a 1539ºC
reblandeciéndose antes de llegar a esta temperatura, lo que permite forjarlo y
moldearlo con facilidad. El hierro es un buen conductor de la electricidad y se
imanta fácilmente
ALEACIONES HIERRO-CARBONO
El hierro puro apenas tiene
aplicaciones industriales, pero formando aleaciones con el carbono (además de
otros elementos), es el metal más utilizado en la industria moderna. A la
temperatura ambiente, salvo una pequeña parte disuelta en la ferrita, todo el
carbono que contienen las aleaciones Fe-C está en forma de carburo de hierro(
CFe3 ). Por eso, las aleaciones Fe-C se denominan también aleaciones
hierro-carburo de hierro.
Las aleaciones con contenido de C
comprendido entre 0.03% y 1.76% tienen características muy bien definidas y se
denominan aceros. Los aceros de cualquier proporción de carbono dentro de los
límites citados pueden alearse con otros elementos, formando los denominados
aceros aleados o aceros especiales. Algunos aceros aleados pueden contener
excepcionalmente hasta el 2.5% de C. Los aceros generalmente son forjables, y
es ésta una cualidad muy importante que los distingue. Si la proporción de C es
superior a 1.76% las aleaciones de Fe-C se denominan fundiciones, siendo la
máxima proporción de C aleado del 6.67%, que corresponde a la cementita pura.
Las fundiciones, en general, no son forjables.
Tipos de acero:
En las aleaciones Fe-C
pueden encontrarse hasta once constituyentes diferentes, que se denominan:
ferrita, cementita, perlita, austenita, martensita, troostitasorbita, bainita, ledeburita,
steadita y grafito.
FERRITA
Aunque la ferrita es en realidad una solución
sólida de carbono en hierro alfa, su solubilidad a la temperatura ambiente es
tan pequeña que no llega a disolver ni un 0.008% de C. Es por esto que
prácticamente se considera la ferrita como hierro alfa puro. La ferrita es el
más blando y dúctil constituyente de los aceros. Cristaliza en una estructura
BCC. Tiene una dureza de 95 Vickers, y una resistencia a la rotura de 28
Kg/mm2, llegando a un alargamiento del 35 al 40%. Además de todas estas
características, presenta propiedades magnéticas. En los aceros aleados, la
ferrita suele contener Ni, Mn, Cu, Si, Al en disolución sólida sustitucional.
Al microscopio aparece como granos monofásicos, con límites de grano más
irregulares que la austenita. El motivo de esto es que la ferrita se ha formado
en una transformación en estado sólido, mientras que la austenita, procede de
la solidificación.
La ferrita en la naturaleza aparece
como elemento proeutectoide que acompaña a la perlita en:
- Cristales mezclados con los de perlita
(0.55% C)
- Formando una red o malla que limita
los granos de perlita (0.55% a 0.85% de C)
- Formando agujas en dirección de los
planos cristalográficos de la austenita.
CEMENTITA
Es carburo de hierro y por tanto su
composición es de 6.67% de C y 93.33% de Fe en peso. Es el constituyente más
duro y frágil de los aceros, alcanzando una dureza de 960 Vickers. Cristaliza
formando un paralelepípedo ortorrómbico de gran tamaño. Es magnética hasta los
210ºC, temperatura a partir de la cual pierde sus propiedades magnéticas.
Aparece como:
- Cementitaproeutectoide, en aceros
hipereutectoides, formando un red que envuelve a los granos perlíticos.
- Componente de la perlita laminar.
- Componente de los glóbulos en perlita
laminar.
- Cementita alargada (terciaria) en las
uniones de los granos (0.25% de C)
PERLITA
Es un constituyente
compuesto por el 86.5% de ferrita y el 13.5% de cementita, es decir, hay 6.4
partes de ferrita y 1 de cementita. La perlita tiene una dureza de
aproximadamente 200 Vickers, con una resistencia a la rotura de 80 Kg/mm2 y un
alargamiento del 15%. Cada grano de perlita está formado por láminas o placas
alternadas de cementita y ferrita. Esta estructura laminar se observa en la
perlita formada por enfriamiento muy lento. Si el enfriamiento es muy brusco,
la estructura es más borrosa y se denomina perlita sorbítica. Si la perlita
laminar se calienta durante algún tiempo a una temperatura inferior a la
crítica (723 ºC), la cementita adopta la forma de glóbulos incrustados en la
masa de ferrita, recibiendo entonces la denominación de perlita globular.
AUSTENITA
Este es el constituyente más denso de los
aceros, y está formado por la solución sólida, por inserción, de carbono en
hierro gamma. La proporción de C disuelto varía desde el 0 al 1.76%,
correspondiendo este último porcentaje de máxima solubilidad a la temperatura
de 1130 ºC.Laaustenita en los aceros al carbono, es decir, si ningún otro
elemento aleado, empieza a formarse a la temperatura de 723ºC. También puede
obtenerse una estructura austenítica en los aceros a temperatura ambiente,
enfriando muy rápidamente una probeta de acero de alto contenido de C a partir
de una temperatura por encima de la crítica, pero este tipo de austenita no es
estable, y con el tiempo se transforma en ferrita y perlita o bien cementita y
perlita.
Excepcionalmente, hay
algunos aceros al cromo-niquel denominados austeníticos, cuya estructura es
austenítica a la temperatura ambiente. La austenita está formada por cristales
cúbicos de hierro gamma con los átomos de carbono intercalados en las aristas y
en el centro. La austenita tiene una dureza de 305 Vickers, una resistencia de
100 Kg/mm2 y un alargamiento de un 30 %. No presenta propiedades magnéticas.
MARTENSITA
Bajo velocidades de
enfriamiento bajas o moderadas, los átomos de Cueden difundirse hacía afuera de
la estructura austenítica. De este modo, los átomos de Fe se mueven ligeramente
para convertir su estructura en una tipo BCC. Esta transformación gamma-alfa
tiene lugar mediante un proceso de nucleación y crecimiento dependiente del
tiempo (si aumentamos la velocidad de enfriamiento no habrá tiempo suficiente
para que el carbono se difunda en la solución y, aunque tiene lugar algún
movimiento local de los átomos de Fe, la estructura resultante no podrá llagar
a ser BCC, ya que el carbono está “atrapado” en la solución). La estructura
resultante denominada martensita, es una solución sólida sobresaturada de
carbono atrapado en una estructura tetragonal centrada en el cuerpo. Esta
estructura reticular altamente distorsionada es la principal razón para la alta
dureza de la martensita, ya que como los átomos en la martensita están
empaquetados con una densidad menor que en la austenita, entonces durante la
transformación (que nos lleva a la martensita) ocurre una expansión que produce
altos esfuerzos localizados que dan como resultado la deformación plástica de
la matriz.
Después de la cementita es el
constituyente más duro de los aceros. La martensita se presenta en forma de
agujas y cristaliza en la red tetragonal. La proporción de carbono en la
martensita no es constante, sino que varía hasta un máximo de 0.89% aumentando
su dureza, resistencia mecánica y fragilidad con el contenido de carbono. Su
dureza está en torno a 540 Vickers, y su resistencia mecánica varía de 175 a
250 Kg/mm2 y su alargamiento es del
orden del 2.5 al 0.5%. Además es magnética.
BAINITA
Se forma la bainita en la transformación
isoterma de la austenita, en un rango de temperaturas de 250 a 550ºC. El
proceso consiste en enfriar rápidamente la austenita hasta una temperatura
constante, manteniéndose dicha temperatura hasta la transformación total de la
austenita en bainita.
LEDEBURITA
La ledeburita no es un
constituyente de los aceros, sino de las fundiciones. Se encuentra en las
aleaciones Fe-C cuando el porcentaje de carbono en hierro aleado es superior al
25%, es decir, un contenido total de 1.76% de carbono.
La ledeburita se forma al enfriar
una fundición líquida de carbono (de composición alrededor del 4.3% de C) desde
1130ºC, siendo estable hasta 723ºC, decomponiéndose a partir de esta temperatura
en ferrita y cementita
DIAGRAMA DE EQUILIBRIO DE LAS
ALEACIONES HIERRO-CARBONO.
La temperatura a que tienen lugar los
cambios alotrópicos en el hierro estará influida por los elementos que forman
parte de la aleación, de los cuales el más importante es el carbono. La figura
que mostramos a continuación muestra la porción de interés del sistema de
aleación Fe-C. Contiene la parte entre Fe puro y un compuesto intersticial,
llamado carburo de hierro, que contiene un 6.67% de C en peso. Esta porción se
llamará diagrama de equilibrio hierro-carburo de hierro.
Antes de estudiar este diagrama es
importante notar que no se trata de un verdadero diagrama de equilibrio, pues
un verdadero equilibrio implicaría que no hubiera cambio de fase con el tiempo.
Sin embargo, es un hecho que el compuesto carburo de hierro se descompondrá de
una manera muy lenta en hierro y carbono (grafito), lo cual requerirá un
período de tiempo muy largo a temperatura ambiente. El carburo de hierro se
dice entonces metaestable; por tanto, el diagrama hierro-carburo de hierro,
aunque técnicamente representa condiciones metaestables , puede considerarse
como representante de cambios en equilibrio, bajo condiciones de calentamiento
y enfriamiento relativamente lentas.
El diagrama muestra tres líneas
horizontales que indican reacciones isotérmicas. La solución sólida a se llama
austenita. La segunda figura muestra ampliada la porción del diagrama de la
esquina superior izquierda. Esta se conoce como región delta, debido a la
solución sólida d. A 2720ºF se encuentra una línea horizontal que nos marca la
reacción peritéctica. Dicha reacción responde a la ecuación:
Líquido
+ d Þ Austenita (enfriamiento)
Ü (calentamiento)
La solubilidad máxima del carbono en Fe d (BCC) es de
0.10% (punto M), mientras que en Fe g (FCC) es mucho mayor. La presencia de
carbono influye en el cambio alotrópico d Û g. Conforme crece la proporción de
C, la temperatura del cambio alotrópico aumenta de 2554 a 2720ºF al 0.10% de C.
Considérese el significado de la línea NMPB. Al enfriar, la línea NM,
representa la frontera del cambio de estructura cristalina de Fe d (BCC) a Fe g
(FCC) para aleaciones que contienen menos del 0.10% de C. La línea MP representa
la frontera del cambio de estructura cristalina por medio de la reacción
peritéctica para aleaciones entre 0.10 y 0.18% de C. Para aleaciones que
contienen menos del 0.18% de C, al enfriar, el final del cambio de estructura
está dado por la línea NP. La línea PB representa el inicio y el fin de la
reacción peritéctica para composiciones entre 0.18 y 0.5% de C. En otras
palabras, para aleaciones entre 0.18 y 0.50% de C, el cambio alotrópico empieza
y termina a temperatura constante. Nótese que cualquier aleación que contenga
más de 0.5% de C solidificará en austenita directamente (a la derecha del punto
B).
En el diagrama de más abajo se muestra la reacción
eutéctica. El punto E del diagrama, es el punto eutéctico, de composición 4.3%
de C y que ocurre a 2065ºF. La línea horizontal CED representa la reacción
eutéctica. Cuando una determinada aleación cruce esta línea, la parte líquida
que la compone debe solidificar en la mezcla de las dos fases que estén en
ambos extremos de la línea horizontal: austenita y carburo de hierro (llamada
cementita) en este caso. Esta mezcla eutéctica, como ya explicamos, se llama
ledeburita, y la ecuación puede escribirse como:
Líquido Þ Austenita
+ Cementita (enfriamiento)
Ü (calentamiento)
La
microestructura de esta mezcla eutéctica generalmente no resulta visible debido
a que la austenita no es estable a temperatura ambiente y sufre varias
reacciones durante el enfriamiento.
Se
puede observar que a 1666ºF ocurre un cambio de estructura cristalina de Fe
puro g (FCC) a a (BCC). El pequeño área a la izquierda de la línea GH, es una
solución sólida de una pequeña cantidad de carbono disuelto en Fe a (BCC), y se
llama ferrita. El diagrama muestra una tercera línea horizontal HJK, que
representa la reacción eutectoide. El punto eutectoide, J, está situado a 0.80%
de C y a 1333ºF. Cualquier porción de austenita presente se transformará en una
fina mezcla eutectoide de ferrita y cementita, llamada perlita. La ecuación que
describe la reacción eutectoide es:
Líquido Þ Ferrita
+ Cementita (enfriamiento)
Ü (calentamiento)
Por debajo de la línea eutectoide, la aleación consistirá
en una mezcla de ferrita y cementita conforme indica el diagrama. Si se toma
como base el contenido de carbono, es práctica común dividir el diagrama
hierro-carburo en dos partes: aquellas aleaciones que contienen menos del 2% de
carbono se conocen como aceros, y aquellas que contienen más del 2% se conocen
como hierros fundidos. El intervalo de aceros se subdivide aún más en base al
contenido de carbono eutectoide (0.8% de C). Así, los aceros que contienen
menos del 0.8% de C se llaman aceros hipoeutectoides, en tanto que los que
tienen entre 0.8 y 2% de C se llaman hipereutectoides. El intervalo de hierros
fundidos también puede subdividirse por el contenido de carbono eutéctico (4.3%
de C). De esta forma tenemos que los hierros fundidos con composición de C < 4.3%, se conocen como hierros fundidos
hipoeutécticos, y de la misma manera por oposición, existen los
hipereutécticos.
PROCESO DE ENFRIAMIENTO LENTO DEL ACERO.
Estudiaremos los cambios que se producen en la
región de los aceros, cuando sometemos al sistema a procesos de enfriamiento
lento desde una estructura austenítica inicial. A partir de la figura 7.10
tenemos una muestra de acero
hipoeutectoide que contiene 0.2% de C. En el intervalo austenítico, la aleación
consiste en una solución sólida intersticial uniforme. Cada grano contiene 0.2%
de C disuelto en los espacios de la estructura reticular de hierro FCC. Al
enfriarse lentamente no sucede nada destacable hasta que la línea GJ se
intercepta en el punto X1. Esta línea se conoce como línea de temperatura
crítica superior del lado hipoeutectoide, y se designa como A3. El cambio
alotrópico de Fe FCC a Fe BCC tiene lugar a 1666ºF para Fe puro y disminuye en
temperatura con el aumento del contenido de carbono, como lo muestra la línea
A3; por tanto, en X1, la ferrita debe empezar a formarse en las frontera de
grano de la austenita. Como la ferrita puede disolver muy poco carbono, en
aquellas áreas que cambien a ferrita, el carbono debe salir de la solución
antes de que los átomos se reajusten por sí mismos a la estructura BCC. El carbono que sale de
la solución es disuelto en la austenita restante, así que, conforme el
enfriamiento avanza y la cantidad de ferrita aumenta, la austenita restante se
hace más rica en carbono. El contenido en carbono se desplaza gradualmente a lo
largo de línea A3. Finalmente, la línea HJ se alcanza en el punto X2. Esta
línea se conoce como línea de temperatura crítica inferior en el lado
hipoeutectoide y se designa como A1. La línea A1 es la de temperatura
eutectoide y constituye la mínima temperatura a la que puede existir el hierro
FCC bajo condiciones de equilibrio. Precisamente por encima de línea A1, la
microestructura consta de aproximadamente 25% de austenita y 75% de ferrita.
Toda la austenita presente (que contiene el 0.8% de C) experimenta ahora la
reacción eutectoide expuesta
anteriormente. Darse cuenta que la austenita cambia al interceptarse la
línea A1 ;por tanto cuando la reacción se ha completado, la microestructura
final mostrará aproximadamente un 25% de perlita y un 75% de ferrita.
Vamos a considerar la reacción
eutectoide con más detalle. La austenita cambia a ferrita y esta es una
solución sólida intersticial en la que cada grano disuelve 0.8% de C en Fe FCC;
sin embargo la ferrita es Fe BCC y disuelve muy poco carbono, de modo que el
cambio de estructura cristalina no puede ocurrir hasta que los átomos de
carbono salgan de la solución. Por tanto, el primer paso es precipitar los
átomos de carbono para formar placas de cementita (carburo de hierro). En el
área adyacente a la placa de cementita, el hierro se vacía de carbono y los
átomos se reagrupan por sí mismos para formar ferrita BCC. A cada lado de la
placa de cementita se forman delgadas capas de ferrita. El proceso continua con
la formación de capas alternas de cementita y ferrita para la mezcla en forma
de huella dactilar conocida como perlita. La reacción generalmente comienza en
la frontera de grano de austenita, con la perlita creciendo a lo largo de la
frontera y dentro del grano.
Los cambios descritos serían similares para cualquier
acero hipoeutectoide, la única diferencia estaría en la cantidad relativa de
ferrita y perlita. De esta forma, cuanto más próximos nos hallemos de la
composición eutectoide (0.8% de C), más perlita tendremos en la
microestructura. Así, la microestructura de un acero al 0.4% de C lentamente
enfriado muestra aproximadamente un 50% de perlita, en tanto que la composición
eutectoide (0.8% de C) muestra un 100% de perlita.
Las
propiedades mecánicas de una aleación dependen de las características
individuales de cada una de las fases que la componen y de la forma en que
estas últimas estén ordenadas para formar la estructura. Sabemos que la ferrita
es relativamente suave, con baja resistencia tensil, en tanto que la cementita
es dura, con muy baja resistencia tensil. Podremos deducir pues, que la
combinación de estas dos fases en la forma eutectoide (perlita), producirá una
aleación de resistencia tensil mucho mayor que la de cualquiera de las fases
individuales. Como la cantidad de perlita aumenta con un incremento en el
contenido de carbono para aceros hipoeutectoides, la resistencia y la dureza
Brinell también aumentará hasta la composición eutectoide. La ductilidad,
expresada por el porcentaje de elongación y reducción de área, y la resistencia
al impacto disminuyen al aumentar el contenido de carbono.
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