Diagrama Fe Fe3c 2r1v3t
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UNIDAD INGENIERÍA DE SOLDADURA INGESOLD
CURSOS YANACOCHA 2008
TEMA: DIAGRAMA Fe-Fe3C
Autor: Paul Lean Sifuentes
Diagrama Fe-Fe3C
DIAGRAMA DE EQUILIBRIO Fe-Fe3C 1. INTRODUCCIÓN El principal elemento de numerosas aleaciones de ingeniería es el hierro y forma el grupo de aleaciones ferrosas como: aceros ordinarios, aceros para herramientas, aceros inoxidables, hierros fundidos (fundiciones), etc. También se suele encontrar, en menores cantidades, en las aleaciones no ferrosas como en las superaleaciones, aleaciones de níquel, aleaciones de aluminio, etc. Las propiedades que presenta el hierro en estado casi puro son: Resistencia a la tracción Elongación (en 50 mm) Dureza Brinell
: : :
275 MPa (baja resistencia mecánica) 40 % (alta) 90 (baja dureza, blando)
Es un metal alotrópico, es decir puede existir en más de un tipo de estructura cristalina en estado sólido, dependiendo de la temperatura. La Figura 1.1 muestra la curva de enfriamiento (gráfica de temperatura vs tiempo) que presenta el hierro puro durante su enfriamiento desde el estado líquido. T (º C)
Líquido 1535 1410
L → Fe-δ
Fe-δ (BCC ó CCCu) Fe-δ → Fe-γ Fe-γ (FCC ó CCCa)
910
Fe-γ → Fe-α Fe-α (BCC ó CCCu)
tiempo Figura 1.1. Curva de enfriamiento para el hierro puro
1.1. DIAGRAMA DE EQUILIBRIO Fe-Fe3C La Figura 1.2 muestra el diagrama de equilibrio Fe-Fe3C, que es una porción del diagrama Fe-C. Se muestra la zona entre el Fe puro (línea vertical izquierda) y un compuesto intersticial Fe3C (línea vertical derecha) que contiene 6,67 % de carbono en peso, de allí su nombre. A continuación se señalan los aspectos más importantes que presenta el diagrama: -
La temperatura a la que tienen lugar los cambios alotrópicos en el hierro puro está influenciado por el carbono. Por ejemplo el hierro puro solidifica, a temperatura constante (1539 °C) con
Profesor Paul Lean S.
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Diagrama Fe-Fe3C
sobreenfriamiento en Fe-δ. Cuando contiene un 0,4 % C en peso, el cambio de fase L → Fe-δ, se inicia a una temperatura menor aproximadamente a 1510 ºC (Figuras 1.2 y 1.5).
T °C
Fe3C
M
1 535 1 492
δ
δ+L
1 410
Liquido δ+γ
γ+L
γ
L + Fe3C A
1 130
E
γ + Fe3C 910
723 α
α+γ 723
F 0,025 (B)
α + Fe3C
0,008
0,8
2,0
4,3
6,67 % C
Figura 1.2. Diagrama Fe-Fe3C mostrando las fases que se presentan conforme varía la temperatura y el contenido de carbono a presión atmosférica
-
Debido a que el radio atómico del carbono (rc = 0,77 amstrong) es menor que el del hierro (rFe = 1,241 amstrong), el carbono se ubica en los intersticios de la red cristalina de los átomos más grandes que corresponden al hierro. Por ello, las aleaciones Fe-Fe3C sólo pueden presentar como fases: soluciones sólidas intersticiales (fase “δ”, austenita “γ” y, ferrita “α”) o un compuesto intersticial (cementita “Fe3C”).
-
La máxima cantidad de carbono que se puede disolver en el hierro δ es 0,1 % a 1492 ºC (punto M en las Figuras 1.2 y 1.5), mientras que en la austenita es de 2 % a 1130 ºC (punto A en la
Profesor Paul Lean S.
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Diagrama Fe-Fe3C
Figura 1.2). La ferrita disuelve hasta un máximo de 0,025 % C a 723 ºC (punto B en la Figura 1.2) y disminuye conforme lo hace la temperatura, a temperatura ambiente la ferrita solo disuelve 0,008 % C. -
El diagrama Fe-Fe3C muestra tres líneas horizontales que indican reacciones a temperatura constante (reacciones isotérmicas): a) Para una temperatura de 1492 ºC se presenta la reacción peritéctica (P en Figura 1.5): L+δ↔γ Líquido + Fe-δ ↔ austenita b) A 1130 ºC ocurre la reacción isotérmica eutéctica (E en Figura 1.2): L ↔ (γ + Fe3C) MEZCLA EUTÉCTICA Liquido ↔ (austenita + cementita) LEDEBURITA c) La tercera reacción isotérmica llamada eutectoide ocurre a una temperatura de 723 ºC (F en Figura 1.2), temperatura menor que las dos reacciones anteriores: γ ↔ (α + Fe3C) MEZCLA EUTECTOIDE Austenita ↔ (ferrita + cementita) PERLITA
-
Siempre que una aleación durante su enfriamiento (o calentamiento) cruce una de las tres líneas horizontales sufrirá una reacción isotérmica, por ello las aleaciones con un contenido de carbono menor de 0,1 % y mayores de 0,5 % (ver Figura 1.5) no sufrirán la reacción peritéctica. De la misma manera las aleaciones Fe-C con un contenido menor de 2 % de carbono (aceros) no presentarán la reacción eutéctica.
Según el diagrama de la Figura 1.2, se puede observar que cuando mayor es el contenido de carbono en una aleación Fe-C, presentará mayor contenido de cementita, hasta alcanzar 100 %, para una aleación que contenga 6,67 % de C, como se aprecia en la Figura 1.3 % Fe3C 100 75 50 25 0 0.00
1.67
3.34
5.00
Figura 1.3. Variación del % de Fe3C con el aumento del C
Profesor Paul Lean S.
3
6.67 % C
Diagrama Fe-Fe3C
Teniendo en cuenta las tres reacciones isotérmicas que se presentan, ahora se puede obtener los microconstituyentes que presenta el diagrama Fe-Fe3C, como muestra la Figura 1.4.
T °C
Fe3C
1 535 1 492
δ+L
δ
Liquido
1 410
δ+γ
γ+L
L + Fe3C 1 130
γ
γ + Fe3
910
723 α
γ + (γ + Fe3C)LEDEBURITA
Fe3C + (γ + Fe3C)LEDEBURITA
αP + γ
723
αp + (α +Fe3C)PERLITA
0,008
Fe3 + (α + Fe3C)PERLITA
0,8
(α + Fe3C)PERLITA + (P + Fe3C)LEDEBURITA
Fe3C + (P + Fe3C)LEDEBURITA
TRANSFORMADA
TRANSFORMADA
2,0
4,3
6,67 % C
Figura 1.4. Diagrama Fe-Fe3C mostrando los microconstituyentes que se presentan, conforme varía la temperatura y el contenido de carbono a presión atmosférica
Las aleaciones que se obtienen de acuerdo al diagrama de equilibrio Fe-Fe3C se pueden clasificar tomando como referencia su contenido de carbono, aquellos con un % C < 2,0 se denominan aceros y los que contienen entre 2,0 < % C < 6,67 se les denomina hierros fundidos blancos (fundiciones blancas). Los aceros se subdividen tomando como referencia el punto eutectoide (0,8 % C) en aceros hipoeutectoides (% C < 0,8), acero eutectoide (0,8 %C) e hipereutectoides (0,8 < % C < 2,0). De igual manera las fundiciones blancas se subdividen en hierros fundidos blancos hipoeutécticos (2,0 < % C < 4,3), hierro eutéctico (4,3 %C) e hipereutécticos (4,3 < % C < 6, 67).
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Diagrama Fe-Fe3C
1.1.1. Propiedades de los microconstituyentes 1.1.1.1. Ferrita (α) Es hierro casi puro y es el constituyente más blando y dúctil que se presenta en este diagrama, tiene una dureza de 90 unidades Brinell, una elongación de 40 % y su resistencia a la tracción (σmáx) es de 270 MPa (27,5 kg/mm2). Su estructura cristalina es cúbica centrada en el cuerpo (CCCu), a temperatura ambiente disuelve 0,008 % de carbono intersticialmente. 1.1.1.2 Cementita (Fe3C) Es extremadamente dura, frágil y con alta temperatura de fusión. Es el constituyente más duro que se presenta en los aceros y aproximadamente su dureza oscila alrededor de 800 HB. La cementita tiene una reducida resistencia a la tracción (35 MPa), una ductilidad nula (% ε = 0) y alta resistencia a la compresión. Su estructura cristalina es ortorrómbica. Es magnética a temperatura ambiente, perdiendo su magnetismo a 218 °C. 1.1.1.3. Perlita (P) Es un constituyente eutectoide que contiene 0,8 % C, formado por capas alternadas de dos fases de α y Fe3C. La perlita se forma a temperatura constante a partir del enfriamiento de la austenita a 723 ºC. Posee una resistencia a la tracción que varía de 600 MPa a 850 MPa (61 kg/mm2 – 87 kg/mm2) y una dureza entre 200 HB a 300 HB, ambas dependen de la distancia interlaminar (entre las láminas de cementita). Su alargamiento de rotura oscila entre 25 % y 15 %. 1.1.1.4. Austenita (γ) En los aceros al carbono no se presenta a temperatura ambiente, debido a que a 723 ºC se transforma en perlita durante su enfriamiento. Es un constituyente de composición química variable (0 < % C < 2,0). Según su contenido de carbono presenta una dureza que oscila entre los 300 HB, un alargamiento de 30 % – 60 % y una resistencia de 800 MPa a 1050 MPa aproximadamente. Es poco magnética, blanda, muy dúctil, tenaz y es el constituyente más denso de los aceros. 1.1.2. Región delta (δ) Debido a que ningún tratamiento térmico se realiza a escala industrial a temperaturas cercanas a la región delta (Figura 1.5), el estudio de esta región no es de mucha importancia. T °C 1 535
Liquido 0,1 % C
1 492
δ
δ+L P
M
δ+γ
0,5 % C
0,18 % C
γ + Liquido 1 410
γ
(Austenita)
Figura 1.5. Región delta mostrando la reacción peritéctica a temperatura constante (1492 °C) Profesor Paul Lean S.
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Diagrama Fe-Fe3C
1.1.3. Enfriamiento lento del acero 1.1.3.1. Aceros hipoeutectoides (% C < 0,8) Si un acero hipoeutectoide es enfriado lentamente, desde la región austenítica (Figura 1.6), cuando cruce la línea A3 iniciara la formación de una nueva fase: ferrita (α), la que continuará su crecimiento hasta que se alcance la línea A1, en donde toda la austenita restante se transformará a temperatura constante en perlita. A la ferrita que se forma antes que ocurra la reacción isotérmica eutectoide, entre las líneas A3 y A1, se le denomina α proeutectoide o α primaria (αp). Un acero al carbono hipoeutectoide presentará mayor porcentaje de perlita cuando el contenido de carbono se aproxime a 0,8 %C, siendo 100 % para un acero de 0,8 % de carbono (acero eutectoide). T °C
0,2 %C
100 % γ
1 130 °C
γ
(austenita)
γ αp γ αp
αP + γ
α
γ + Fe3
A3 A1
723 °C
MICROCONSTITUYENTES
Fe3 + P
αp + P 75 % αp 25 % P α 0,008
0,2
FASES + Fe3C 0,8
2,0
%C
Figura 1.6. Enfriamiento lento de un acero hipoeutectoide
Así, la microestructura de un acero con 0,4 % de carbono, a temperatura ambiente, estará compuesta de 50 % de ferrita primaria y 50 % de perlita; con 0,6 % C presentará 25 % de ferrita primaria y 75 % de perlita. Un acero hipoeutectoide presentará como fases: ferrita (α) y cementita (Fe3C). Los microconstituyentes que presentan este grupo de aceros (%C < 0,8) enfriados lentamente son: ferrita primaria (αp) y perlita (α + Fe3C). La Figura 1.7 muestra la microestructura de dos aceros hipoeutectoides. 1.1.3.2. Aceros hipereutectoides (0,8 < % C < 2,0) Si un acero hipereutectoide es enfriado lentamente, desde la región austenítica (Figura 1.8), cuando cruce la línea Acm iniciará la formación de una nueva fase cementita (Fe3C). La cementita se precipita en los límites de grano de la austenita, formando una red (cementita reticular) que rodea los granos austeníticos, la red continuará su crecimiento hasta que se alcance la línea A1 o A3,1 (723 °C) en donde toda la austenita restante se trasformará a temperatura constante en perlita. Un acero al carbono hipereutectoide presentara mayor porcentaje de perlita cuando el contenido de carbono se aproxime a 0,8 %. Los aceros hipereutectoides presentarán como fases ferrita (α) y cementita (Fe3C) y, como microconstituyentes perlita (α + Fe3C) y cementita primaria (Fe3) en forma de red. Profesor Paul Lean S.
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Diagrama Fe-Fe3C
αp αp
P
P
a) b) Figura 1.7. a) Microestructura de un acero de 0,1 % C; b) Microestructura de un acero de 0,4 % C
T °C
1,6 %C
γ
100 % γ
(austenita)
γ
Acm αP + γ
α
γ
A3,1
Fe3
MICROCONSTITUYENTES
Fe3 + P
αp + P
α 0,008
Fe3
γ + Fe3
0,2
Fe3 P
FASES + Fe3C 0,8
1,6
2,0
%C
Figura 1.8. Enfriamiento lento de un acero hipereutectoide.
La Figura 1.9 muestra la microestructura de un acero eutectoide (0,8 % C) donde se aprecia que esta constituida por 100 % de perlita. La Figura 1.10 muestra la microestructura de un acero hipereutectoide, compuesta por una red delgada de cementita, que rodea a los granos de perlita. Profesor Paul Lean S.
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Diagrama Fe-Fe3C
P P Fe3
Figura 1.9. Acero hipoeutectoide (0,8 % C)
Figura 1.10. Acero hipereutectoide
1.1.4. Regla de la palanca 1.1.4.1 Cantidad de fases presentes La siguiente fórmula es válida para determinar el porcentaje de fases presentes, a temperatura ambiente, en las aleaciones obtenidas de acuerdo al diagrama de equilibrio Fe-Fe3C (aceros al carbono y hierros fundidos blancos): 0
a
b
α
6,67 % C
Fe3C %C
% α como fase = % α total en la aleación =
b * 100 a+b
% Fe3C como fase = % Fe3C total en la aleación =
a * 100 a+b
Siempre: % α total + % Fe3C total = 100 % 1.1.4.2. Cantidad de microconstituyentes
a) Aceros hipoeutectoides 0
a
b
αp Ferrita primaria
(α+Fe3C)ME Perlita
%C
% α primaria = % α como microconstituyente = Perlita =
b * 100 a+b
a * 100 a+b
% α primaria + Perlita = 100 % Profesor Paul Lean S.
0,8 % C
8
Diagrama Fe-Fe3C
b) Aceros hipereutectoides 0,8
a
b
6,67 % C
Fe3
(α+Fe3C)ME Perlita
% Perlita =
Cementita primaria
%C
b * 100 a+b
% Fe3C primaria = Fe3C como constituyente =
a * 100 a+b
Recordar que: % Perlita + % Fe3C primaria = 100 % La Figura 1.11 esquematiza la variación de los microconstituyentes, a temperatura ambiente, en los aceros conforme incrementa el contenido de carbono. Se aprecia que un acero con 2,0 % C, presentará 20,4 % de Fe3 en su microestructura y el resto estará formado por perlita.
100
α primaria ó
% perlita
80
- 20,4 % Fe3
proeutéctica
60
% αp ó % Fe3
Fe3C primaria
- 40
40
PERLITA
20
- 60 - 80
0 0
0.8 % de carbono
- 100
2
Figura 1.11. Variación de los microconstituyentes en los aceros a temperatura ambiente
1.1.5. Propiedades mecánicas de los aceros al carbono (enfriados lentamente) La Figura 1.12 muestra como varían las propiedades de los aceros ordinarios, enfriados lentamente (con recocido total) conforme lo hace el contenido en carbono. Se aprecia que conforme se incrementa el contenido de carbono aumenta la resistencia a la tracción en forma casi lineal hasta 0,8 % de carbono (61 kg/mm2), debido al aumento de perlita en la microestructura del acero, luego se mantiene constante y cae un poco debido a la presencia de la red de cementita, que presenta, baja resistencia a la tracción (3,5 kg/mm2).
Se han propuesto diversas formulas para expresar la resistencia a la tracción (σmáx) de un acero hipoeutectoide (% C < 0,8) enfriado lentamente, la que mostrará una microestructura de ferrita primaria y perlita. Una de las fórmulas es la siguiente: σ máx (kg / mm 2 ) = Profesor Paul Lean S.
27,5 x (% α p ) + 61 x (%perlita) 100 9
Diagrama Fe-Fe3C
Reemplazando de acuerdo con la regla de la palanca: %α p =
0,8 − % C %C y %Perlita = 0,8 0,8
σ máx (kg / mm 2 ) = 27,5 + 42 x (% C) Por otro lado, la dureza siempre aumentará con el contenido de carbono, debido a que un aumento de carbono promueve la formación de cementita. La cementita es la fase más dura que se presenta en los aceros, su dureza es aproximadamente 800 Brinell. Al contrario, la ductilidad disminuye conforme se incrementa el contenido de carbono. Resistencia
kg/mm2 80
Dureza HB
300 60
σmáx %ε 40
HB
200 40
30 100 20
0,0
20
%ε
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
10 1,2
1,4
1,6 % C
Figura 1. 12. Variación de las propiedades mecánicas de los aceros ordinarios, enfriados lentamente, con el % C.
Profesor Paul Lean S.
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UNIDAD INGENIERÍA DE SOLDADURA INGESOLD
CURSOS YANACOCHA 2008
TEMA: DIAGRAMA Fe-Fe3C Hojas de Trabajos Prácticos
Autor: Paul Lean Sifuentes
FACULTAD DE CIENCIAS E INGENIERÍA INGENIERÍA DE SOLDADURA
HIERRO PURO Hoja de Trabajos Prácticos Nº 1 Objetivos Al final de este capítulo usted será capaz de: - Comprender los cambios alotrópicos que se producen en el hierro. - Entender las diferentes propiedades que presenta el hierro puro a temperatura ambiente.
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Ejercicio 1 El hierro es un metal alotrópico debido a que puede existir en más de un tipo de estructura cristalina dependiendo de la temperatura, siendo un proceso reversible. Complete los datos que faltan en la Figura 1, como: temperaturas, cambios de fase, tipos de estructura cristalina y nombre de las fases presentes.
T (º C)
1535
L → Fe-δ
Fe-δ (BCC ó CCCu)
Nombre de la fase: ……………………...
Nombre de la fase: ……………………...
tiempo Figura 1. Ejercicio 1
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Ejercicio 2 Complete la Tabla 2 considerando las propiedades que presenta el hierro puro (Fe) a temperatura ambiente.
Tabla 2. Ejercicio 2 Propiedad Mecánica
Unidades MPa
Resistencia a la tracción kg/m2 Elongación (Ductilidad)
%
Dureza Brinell
HB
Densidad
g/cm3
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Valor
Baja-Media-Alta
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INTRODUCCIÓN AL DIAGRAMA DE EQUILIBRIO Fe-Fe3C Hoja de Trabajos Prácticos Nº 2 Objetivos
- Distinguir las diferentes fases que se producen en el diagrama de equilibrio Fe-Fe3C. - Determinar las cantidades relativas de las fases presentes a temperatura ambiente, en un acero al carbono, de acuerdo con en el diagrama de equilibrio Fe-Fe3C.
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Ejercicio 1 Complete la Tabla 1 indicando las fases que se pueden encontrar presentes en el diagrama de equilibrio Fe-Fe3C a diferentes temperaturas.
Tabla 1. Ejercicio 1 Tipo de Fase
Nombre de la Fase
Liquido
Solución sólida intersticial
Compuesto intersticial
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Estructura cristalina (arreglo atómico)
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Ejercicio 2 Completar las fases y las temperaturas de la porción del diagrama Fe-Fe3C.
T °C
Liquido
T °C =
0,008
0,8 18
%C
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Ejercicio 3 Completar las fases y las temperaturas del diagrama completo Fe-Fe3C. Fe3C
T °C
Liquido
1130
0,025
0,008
%C
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Ejercicio 4 Determine el porcentaje en peso de las fases que se encuentran presentes en un acero AISI 1040 (acero al carbono de 0,4 % de carbono en peso), a temperatura ambiente, el cual fue enfriado lentamente (en equilibrio).
Ejercicio 5 Determine el porcentaje en peso de las fases que se encuentran presentes en un acero AISI 1080 (acero al carbono de 0,8 % de carbono en peso), a temperatura ambiente, el cual fue enfriado lentamente (en equilibrio).
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Ejercicio 6 Determine el porcentaje en peso de las fases que se encuentran presentes en un acero DIN CK140 (acero al carbono de 1,4 % de carbono en peso), a temperatura ambiente, el cual fue enfriado lentamente (en equilibrio).
Ejercicio 7 Determine el porcentaje en peso de las fases que se encuentran presentes en un acero DIN CK 200 (acero al carbono de 2,08 % de carbono en peso), a temperatura ambiente, el cual fue enfriado lentamente (en equilibrio).
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PORCIÓN DEL DIAGRAMA Fe-Fe3C DE LOS ACEROS Hoja de Trabajos Prácticos Nº 3 Objetivo General - Entender el uso y aplicaciones de la porción del diagrama Fe-Fe3C que corresponde a los aceros al carbono. Objetivos específicos - Comprender mediante la aplicación del diagrama de equilibrio Fe-Fe3C los cambios microestructurales que se producen durante el enfriamiento de los aceros ordinarios desde la región austenítica. - Determinar la cantidad y los tipos de fases y microconstituyentes que se presentan, a diversas temperaturas, en los aceros ordinarios a través de la aplicación del diagrama de equilibrio Fe-Fe3C - Predecir las propiedades mecánicas (resistencia a la tracción, dureza y ductilidad) a temperatura ambiente de los aceros al carbono enfriados lentamente. - Distinguir las diferencias en propiedades mecánicas que existen entre los microconstituyentes que se presentan a temperatura ambiente en los aceros al carbono.
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Ejercicio 1.1 Complete los datos que faltan en la porción del diagrama de fase Fe-Fe3C. Indique temperaturas, fases presentes y contenidos de carbono.
T °C
Acm
A3
α
Fases a temperatura ambiente …………………….……...
%C
Figura 1.1. Ejercicio 1.1
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Ejercicio 1.2 Complete los datos que faltan en la porción del diagrama de fase Fe-Fe3C. Indique temperaturas, microconstituyentes presentes y contenidos de carbono.
T °C
Acm
A3
α
Microconstituyentes
Microconstituyentes
…………………….……...
…………………….……...
%C
Figura 1.2. Ejercicio 1.2
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Ejercicio 2 Determine el porcentaje en peso de los microconstituyentes que se encuentran presentes en un acero DIN CK40 (acero al carbono de 0,4 % de carbono en peso), a temperatura ambiente, el cual fue enfriado lentamente (en equilibrio).
Ejercicio 3 Determine el porcentaje en peso de los microconstituyentes que se encuentran presentes en un acero DIN CK60 (acero al carbono de 0,6 % de carbono en peso), a temperatura ambiente, el cual fue enfriado lentamente (en equilibrio).
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Ejercicio 4 Determine el porcentaje en peso de los microconstituyentes que se encuentran presentes en un acero AISI 1040 (acero al carbono de 1,4 % de carbono en peso), a temperatura ambiente, el cual fue enfriado lentamente (en equilibrio).
Ejercicio 5 Determine el porcentaje en peso de los microconstituyentes que se encuentran presentes en un acero DIN CK200 (acero al carbono de 2,0 % de carbono en peso), a temperatura ambiente, el cual fue enfriado lentamente (en equilibrio).
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Ejercicio 6 En la Figura 6 se muestra una porción del diagrama de equilibrio Fe-Fe3C, se pide esquematizar los cambios microestructurales que ocurren durante el enfriamiento del acero DIN CK 80, señalando mediante flechas los nombres de los microconstituyentes, así mismo, completar la Tabla 6, indicando el nombre y el porcentaje en peso de las fases y los microconstituyentes a las temperaturas señaladas. T (°C) DIN CK80
1000 °C
723 °C
%C
Figura 6. Porción del diagrama Fe-Fe3C Tabla 6. FASES
Temperatura ( °C )
Nombre
MICROCONSTITUYENTES
% en peso
1000
724
722
27
Nombre
% en peso
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Ejercicio 7 En la Figura 7 se muestra una porción del diagrama de equilibrio Fe-Fe3C, se pide esquematizar los cambios microestructurales que ocurren durante el enfriamiento del acero DIN CK 40, señalando mediante flechas los nombres de los microconstituyentes, así mismo, completar la Tabla 7, indicando el nombre y el porcentaje en peso de las fases y los microconstituyentes a las temperaturas señaladas. T (°C) DIN CK40
1000 °C
724 °C
%C
Figura 7. Porción del diagrama Fe-Fe3C Tabla 7. FASES
Temperatura ( °C )
Nombre
MICROCONSTITUYENTES
% en peso
1000
724
20
28
Nombre
% en peso
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Ejercicio 8 Esquematizar los cambios microestructurales que ocurren durante el enfriamiento del acero AISI 1025. Completar la Tabla 8 indicando el nombre y el porcentaje en peso de las fases y los microconstituyentes a las temperaturas señaladas.
T (°C) AISI1025
1000 °C
724 °C
%C
Figura 8. Porción del diagrama Fe-Fe3C Tabla 8. FASES
Temperatura ( °C )
Nombre
MICROCONSTITUYENTES
% en peso
1000
724
20
29
Nombre
% en peso
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Ejercicio 9 Esquematizar los cambios microestructurales que ocurren durante el enfriamiento del acero DIN CK 140. Completar la Tabla 5 indicando el nombre y el porcentaje en peso de las fases y los microconstituyentes a las temperaturas señaladas. Tabla 9. FASES
Temperatura ( °C )
Nombre
MICROCONSTITUYENTES
% en peso
Nombre
% en peso
1000
724
722
T °C 1000 °C
724 °C
722 °C
%C Figura 9. Porción del diagrama Fe-Fe3C 30
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Ejercicio 10 Se realizó un análisis metalográfico a una muestra de acero con recocido total (enfriado lentamente). Se determinó que contenía 75 % de ferrita como microconstituyente y 25 % de perlita. Si se sabe que: Resistencia a la tracción de la ferrita : 28 kg/mm2 Resistencia a la tracción de la perlita : 60 kg/mm2 Resistencia a la tracción de la cementita : 5 kg/mm2 Calcule la resistencia a la tracción en kg/mm2 y en MPa del acero.
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Ejercicio 11 Calcule la resistencia a la tracción, en kg/mm2 y en MPa, de un acero que contiene aproximadamente 50 % de ferrita y 50 % de perlita como microconstituyentes.
Ejercicio 12 Calcule la resistencia a la tracción, en kg/mm2 y en MPa, de un acero que contiene aproximadamente 25 % de ferrita y 75 % de perlita.
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Ejercicio 13 Complete la Tabla 13 considerando los microconstituyentes que se pueden encontrar en un acero al carbono enfriado lentamente (de acuerdo al diagrama de equilibrio Fe-Fe3C): ferrita, perlita y cementita.
Tabla 13. Ejercicio 13 Propiedad Mecánica
Microconstituyente
Mayor dureza Más blando Más dúctil Más resistente
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Ejercicio 14 Se tiene el acero AISI 1060 el cual fue enfriado en equilibrio: a) Esquematice su microestructura b) Determine la cantidad de las fases presentes, en % en peso, a temperatura ambiente c) Determine la cantidad de los microconstituyentes a temperatura ambiente d) Determine su resistencia a la tracción en MPa y en kg/mm2
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Ejercicio 15 Se tiene el acero DIN CK 100 el cual fue enfriado en equilibrio: a) Esquematice su microestructura b) Determine la cantidad de las fases presentes, en % en peso, a temperatura ambiente c) Determine la cantidad de los microconstituyentes a temperatura ambiente d) Determine su resistenc
ia a la tracción en MPa y en kg/mm2
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CURSOS YANACOCHA 2008
TEMA: DIAGRAMA Fe-Fe3C
Autor: Paul Lean Sifuentes
Diagrama Fe-Fe3C
DIAGRAMA DE EQUILIBRIO Fe-Fe3C 1. INTRODUCCIÓN El principal elemento de numerosas aleaciones de ingeniería es el hierro y forma el grupo de aleaciones ferrosas como: aceros ordinarios, aceros para herramientas, aceros inoxidables, hierros fundidos (fundiciones), etc. También se suele encontrar, en menores cantidades, en las aleaciones no ferrosas como en las superaleaciones, aleaciones de níquel, aleaciones de aluminio, etc. Las propiedades que presenta el hierro en estado casi puro son: Resistencia a la tracción Elongación (en 50 mm) Dureza Brinell
: : :
275 MPa (baja resistencia mecánica) 40 % (alta) 90 (baja dureza, blando)
Es un metal alotrópico, es decir puede existir en más de un tipo de estructura cristalina en estado sólido, dependiendo de la temperatura. La Figura 1.1 muestra la curva de enfriamiento (gráfica de temperatura vs tiempo) que presenta el hierro puro durante su enfriamiento desde el estado líquido. T (º C)
Líquido 1535 1410
L → Fe-δ
Fe-δ (BCC ó CCCu) Fe-δ → Fe-γ Fe-γ (FCC ó CCCa)
910
Fe-γ → Fe-α Fe-α (BCC ó CCCu)
tiempo Figura 1.1. Curva de enfriamiento para el hierro puro
1.1. DIAGRAMA DE EQUILIBRIO Fe-Fe3C La Figura 1.2 muestra el diagrama de equilibrio Fe-Fe3C, que es una porción del diagrama Fe-C. Se muestra la zona entre el Fe puro (línea vertical izquierda) y un compuesto intersticial Fe3C (línea vertical derecha) que contiene 6,67 % de carbono en peso, de allí su nombre. A continuación se señalan los aspectos más importantes que presenta el diagrama: -
La temperatura a la que tienen lugar los cambios alotrópicos en el hierro puro está influenciado por el carbono. Por ejemplo el hierro puro solidifica, a temperatura constante (1539 °C) con
Profesor Paul Lean S.
1
Diagrama Fe-Fe3C
sobreenfriamiento en Fe-δ. Cuando contiene un 0,4 % C en peso, el cambio de fase L → Fe-δ, se inicia a una temperatura menor aproximadamente a 1510 ºC (Figuras 1.2 y 1.5).
T °C
Fe3C
M
1 535 1 492
δ
δ+L
1 410
Liquido δ+γ
γ+L
γ
L + Fe3C A
1 130
E
γ + Fe3C 910
723 α
α+γ 723
F 0,025 (B)
α + Fe3C
0,008
0,8
2,0
4,3
6,67 % C
Figura 1.2. Diagrama Fe-Fe3C mostrando las fases que se presentan conforme varía la temperatura y el contenido de carbono a presión atmosférica
-
Debido a que el radio atómico del carbono (rc = 0,77 amstrong) es menor que el del hierro (rFe = 1,241 amstrong), el carbono se ubica en los intersticios de la red cristalina de los átomos más grandes que corresponden al hierro. Por ello, las aleaciones Fe-Fe3C sólo pueden presentar como fases: soluciones sólidas intersticiales (fase “δ”, austenita “γ” y, ferrita “α”) o un compuesto intersticial (cementita “Fe3C”).
-
La máxima cantidad de carbono que se puede disolver en el hierro δ es 0,1 % a 1492 ºC (punto M en las Figuras 1.2 y 1.5), mientras que en la austenita es de 2 % a 1130 ºC (punto A en la
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2
Diagrama Fe-Fe3C
Figura 1.2). La ferrita disuelve hasta un máximo de 0,025 % C a 723 ºC (punto B en la Figura 1.2) y disminuye conforme lo hace la temperatura, a temperatura ambiente la ferrita solo disuelve 0,008 % C. -
El diagrama Fe-Fe3C muestra tres líneas horizontales que indican reacciones a temperatura constante (reacciones isotérmicas): a) Para una temperatura de 1492 ºC se presenta la reacción peritéctica (P en Figura 1.5): L+δ↔γ Líquido + Fe-δ ↔ austenita b) A 1130 ºC ocurre la reacción isotérmica eutéctica (E en Figura 1.2): L ↔ (γ + Fe3C) MEZCLA EUTÉCTICA Liquido ↔ (austenita + cementita) LEDEBURITA c) La tercera reacción isotérmica llamada eutectoide ocurre a una temperatura de 723 ºC (F en Figura 1.2), temperatura menor que las dos reacciones anteriores: γ ↔ (α + Fe3C) MEZCLA EUTECTOIDE Austenita ↔ (ferrita + cementita) PERLITA
-
Siempre que una aleación durante su enfriamiento (o calentamiento) cruce una de las tres líneas horizontales sufrirá una reacción isotérmica, por ello las aleaciones con un contenido de carbono menor de 0,1 % y mayores de 0,5 % (ver Figura 1.5) no sufrirán la reacción peritéctica. De la misma manera las aleaciones Fe-C con un contenido menor de 2 % de carbono (aceros) no presentarán la reacción eutéctica.
Según el diagrama de la Figura 1.2, se puede observar que cuando mayor es el contenido de carbono en una aleación Fe-C, presentará mayor contenido de cementita, hasta alcanzar 100 %, para una aleación que contenga 6,67 % de C, como se aprecia en la Figura 1.3 % Fe3C 100 75 50 25 0 0.00
1.67
3.34
5.00
Figura 1.3. Variación del % de Fe3C con el aumento del C
Profesor Paul Lean S.
3
6.67 % C
Diagrama Fe-Fe3C
Teniendo en cuenta las tres reacciones isotérmicas que se presentan, ahora se puede obtener los microconstituyentes que presenta el diagrama Fe-Fe3C, como muestra la Figura 1.4.
T °C
Fe3C
1 535 1 492
δ+L
δ
Liquido
1 410
δ+γ
γ+L
L + Fe3C 1 130
γ
γ + Fe3
910
723 α
γ + (γ + Fe3C)LEDEBURITA
Fe3C + (γ + Fe3C)LEDEBURITA
αP + γ
723
αp + (α +Fe3C)PERLITA
0,008
Fe3 + (α + Fe3C)PERLITA
0,8
(α + Fe3C)PERLITA + (P + Fe3C)LEDEBURITA
Fe3C + (P + Fe3C)LEDEBURITA
TRANSFORMADA
TRANSFORMADA
2,0
4,3
6,67 % C
Figura 1.4. Diagrama Fe-Fe3C mostrando los microconstituyentes que se presentan, conforme varía la temperatura y el contenido de carbono a presión atmosférica
Las aleaciones que se obtienen de acuerdo al diagrama de equilibrio Fe-Fe3C se pueden clasificar tomando como referencia su contenido de carbono, aquellos con un % C < 2,0 se denominan aceros y los que contienen entre 2,0 < % C < 6,67 se les denomina hierros fundidos blancos (fundiciones blancas). Los aceros se subdividen tomando como referencia el punto eutectoide (0,8 % C) en aceros hipoeutectoides (% C < 0,8), acero eutectoide (0,8 %C) e hipereutectoides (0,8 < % C < 2,0). De igual manera las fundiciones blancas se subdividen en hierros fundidos blancos hipoeutécticos (2,0 < % C < 4,3), hierro eutéctico (4,3 %C) e hipereutécticos (4,3 < % C < 6, 67).
Profesor Paul Lean S.
4
Diagrama Fe-Fe3C
1.1.1. Propiedades de los microconstituyentes 1.1.1.1. Ferrita (α) Es hierro casi puro y es el constituyente más blando y dúctil que se presenta en este diagrama, tiene una dureza de 90 unidades Brinell, una elongación de 40 % y su resistencia a la tracción (σmáx) es de 270 MPa (27,5 kg/mm2). Su estructura cristalina es cúbica centrada en el cuerpo (CCCu), a temperatura ambiente disuelve 0,008 % de carbono intersticialmente. 1.1.1.2 Cementita (Fe3C) Es extremadamente dura, frágil y con alta temperatura de fusión. Es el constituyente más duro que se presenta en los aceros y aproximadamente su dureza oscila alrededor de 800 HB. La cementita tiene una reducida resistencia a la tracción (35 MPa), una ductilidad nula (% ε = 0) y alta resistencia a la compresión. Su estructura cristalina es ortorrómbica. Es magnética a temperatura ambiente, perdiendo su magnetismo a 218 °C. 1.1.1.3. Perlita (P) Es un constituyente eutectoide que contiene 0,8 % C, formado por capas alternadas de dos fases de α y Fe3C. La perlita se forma a temperatura constante a partir del enfriamiento de la austenita a 723 ºC. Posee una resistencia a la tracción que varía de 600 MPa a 850 MPa (61 kg/mm2 – 87 kg/mm2) y una dureza entre 200 HB a 300 HB, ambas dependen de la distancia interlaminar (entre las láminas de cementita). Su alargamiento de rotura oscila entre 25 % y 15 %. 1.1.1.4. Austenita (γ) En los aceros al carbono no se presenta a temperatura ambiente, debido a que a 723 ºC se transforma en perlita durante su enfriamiento. Es un constituyente de composición química variable (0 < % C < 2,0). Según su contenido de carbono presenta una dureza que oscila entre los 300 HB, un alargamiento de 30 % – 60 % y una resistencia de 800 MPa a 1050 MPa aproximadamente. Es poco magnética, blanda, muy dúctil, tenaz y es el constituyente más denso de los aceros. 1.1.2. Región delta (δ) Debido a que ningún tratamiento térmico se realiza a escala industrial a temperaturas cercanas a la región delta (Figura 1.5), el estudio de esta región no es de mucha importancia. T °C 1 535
Liquido 0,1 % C
1 492
δ
δ+L P
M
δ+γ
0,5 % C
0,18 % C
γ + Liquido 1 410
γ
(Austenita)
Figura 1.5. Región delta mostrando la reacción peritéctica a temperatura constante (1492 °C) Profesor Paul Lean S.
5
Diagrama Fe-Fe3C
1.1.3. Enfriamiento lento del acero 1.1.3.1. Aceros hipoeutectoides (% C < 0,8) Si un acero hipoeutectoide es enfriado lentamente, desde la región austenítica (Figura 1.6), cuando cruce la línea A3 iniciara la formación de una nueva fase: ferrita (α), la que continuará su crecimiento hasta que se alcance la línea A1, en donde toda la austenita restante se transformará a temperatura constante en perlita. A la ferrita que se forma antes que ocurra la reacción isotérmica eutectoide, entre las líneas A3 y A1, se le denomina α proeutectoide o α primaria (αp). Un acero al carbono hipoeutectoide presentará mayor porcentaje de perlita cuando el contenido de carbono se aproxime a 0,8 %C, siendo 100 % para un acero de 0,8 % de carbono (acero eutectoide). T °C
0,2 %C
100 % γ
1 130 °C
γ
(austenita)
γ αp γ αp
αP + γ
α
γ + Fe3
A3 A1
723 °C
MICROCONSTITUYENTES
Fe3 + P
αp + P 75 % αp 25 % P α 0,008
0,2
FASES + Fe3C 0,8
2,0
%C
Figura 1.6. Enfriamiento lento de un acero hipoeutectoide
Así, la microestructura de un acero con 0,4 % de carbono, a temperatura ambiente, estará compuesta de 50 % de ferrita primaria y 50 % de perlita; con 0,6 % C presentará 25 % de ferrita primaria y 75 % de perlita. Un acero hipoeutectoide presentará como fases: ferrita (α) y cementita (Fe3C). Los microconstituyentes que presentan este grupo de aceros (%C < 0,8) enfriados lentamente son: ferrita primaria (αp) y perlita (α + Fe3C). La Figura 1.7 muestra la microestructura de dos aceros hipoeutectoides. 1.1.3.2. Aceros hipereutectoides (0,8 < % C < 2,0) Si un acero hipereutectoide es enfriado lentamente, desde la región austenítica (Figura 1.8), cuando cruce la línea Acm iniciará la formación de una nueva fase cementita (Fe3C). La cementita se precipita en los límites de grano de la austenita, formando una red (cementita reticular) que rodea los granos austeníticos, la red continuará su crecimiento hasta que se alcance la línea A1 o A3,1 (723 °C) en donde toda la austenita restante se trasformará a temperatura constante en perlita. Un acero al carbono hipereutectoide presentara mayor porcentaje de perlita cuando el contenido de carbono se aproxime a 0,8 %. Los aceros hipereutectoides presentarán como fases ferrita (α) y cementita (Fe3C) y, como microconstituyentes perlita (α + Fe3C) y cementita primaria (Fe3) en forma de red. Profesor Paul Lean S.
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Diagrama Fe-Fe3C
αp αp
P
P
a) b) Figura 1.7. a) Microestructura de un acero de 0,1 % C; b) Microestructura de un acero de 0,4 % C
T °C
1,6 %C
γ
100 % γ
(austenita)
γ
Acm αP + γ
α
γ
A3,1
Fe3
MICROCONSTITUYENTES
Fe3 + P
αp + P
α 0,008
Fe3
γ + Fe3
0,2
Fe3 P
FASES + Fe3C 0,8
1,6
2,0
%C
Figura 1.8. Enfriamiento lento de un acero hipereutectoide.
La Figura 1.9 muestra la microestructura de un acero eutectoide (0,8 % C) donde se aprecia que esta constituida por 100 % de perlita. La Figura 1.10 muestra la microestructura de un acero hipereutectoide, compuesta por una red delgada de cementita, que rodea a los granos de perlita. Profesor Paul Lean S.
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Diagrama Fe-Fe3C
P P Fe3
Figura 1.9. Acero hipoeutectoide (0,8 % C)
Figura 1.10. Acero hipereutectoide
1.1.4. Regla de la palanca 1.1.4.1 Cantidad de fases presentes La siguiente fórmula es válida para determinar el porcentaje de fases presentes, a temperatura ambiente, en las aleaciones obtenidas de acuerdo al diagrama de equilibrio Fe-Fe3C (aceros al carbono y hierros fundidos blancos): 0
a
b
α
6,67 % C
Fe3C %C
% α como fase = % α total en la aleación =
b * 100 a+b
% Fe3C como fase = % Fe3C total en la aleación =
a * 100 a+b
Siempre: % α total + % Fe3C total = 100 % 1.1.4.2. Cantidad de microconstituyentes
a) Aceros hipoeutectoides 0
a
b
αp Ferrita primaria
(α+Fe3C)ME Perlita
%C
% α primaria = % α como microconstituyente = Perlita =
b * 100 a+b
a * 100 a+b
% α primaria + Perlita = 100 % Profesor Paul Lean S.
0,8 % C
8
Diagrama Fe-Fe3C
b) Aceros hipereutectoides 0,8
a
b
6,67 % C
Fe3
(α+Fe3C)ME Perlita
% Perlita =
Cementita primaria
%C
b * 100 a+b
% Fe3C primaria = Fe3C como constituyente =
a * 100 a+b
Recordar que: % Perlita + % Fe3C primaria = 100 % La Figura 1.11 esquematiza la variación de los microconstituyentes, a temperatura ambiente, en los aceros conforme incrementa el contenido de carbono. Se aprecia que un acero con 2,0 % C, presentará 20,4 % de Fe3 en su microestructura y el resto estará formado por perlita.
100
α primaria ó
% perlita
80
- 20,4 % Fe3
proeutéctica
60
% αp ó % Fe3
Fe3C primaria
- 40
40
PERLITA
20
- 60 - 80
0 0
0.8 % de carbono
- 100
2
Figura 1.11. Variación de los microconstituyentes en los aceros a temperatura ambiente
1.1.5. Propiedades mecánicas de los aceros al carbono (enfriados lentamente) La Figura 1.12 muestra como varían las propiedades de los aceros ordinarios, enfriados lentamente (con recocido total) conforme lo hace el contenido en carbono. Se aprecia que conforme se incrementa el contenido de carbono aumenta la resistencia a la tracción en forma casi lineal hasta 0,8 % de carbono (61 kg/mm2), debido al aumento de perlita en la microestructura del acero, luego se mantiene constante y cae un poco debido a la presencia de la red de cementita, que presenta, baja resistencia a la tracción (3,5 kg/mm2).
Se han propuesto diversas formulas para expresar la resistencia a la tracción (σmáx) de un acero hipoeutectoide (% C < 0,8) enfriado lentamente, la que mostrará una microestructura de ferrita primaria y perlita. Una de las fórmulas es la siguiente: σ máx (kg / mm 2 ) = Profesor Paul Lean S.
27,5 x (% α p ) + 61 x (%perlita) 100 9
Diagrama Fe-Fe3C
Reemplazando de acuerdo con la regla de la palanca: %α p =
0,8 − % C %C y %Perlita = 0,8 0,8
σ máx (kg / mm 2 ) = 27,5 + 42 x (% C) Por otro lado, la dureza siempre aumentará con el contenido de carbono, debido a que un aumento de carbono promueve la formación de cementita. La cementita es la fase más dura que se presenta en los aceros, su dureza es aproximadamente 800 Brinell. Al contrario, la ductilidad disminuye conforme se incrementa el contenido de carbono. Resistencia
kg/mm2 80
Dureza HB
300 60
σmáx %ε 40
HB
200 40
30 100 20
0,0
20
%ε
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
10 1,2
1,4
1,6 % C
Figura 1. 12. Variación de las propiedades mecánicas de los aceros ordinarios, enfriados lentamente, con el % C.
Profesor Paul Lean S.
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UNIDAD INGENIERÍA DE SOLDADURA INGESOLD
CURSOS YANACOCHA 2008
TEMA: DIAGRAMA Fe-Fe3C Hojas de Trabajos Prácticos
Autor: Paul Lean Sifuentes
FACULTAD DE CIENCIAS E INGENIERÍA INGENIERÍA DE SOLDADURA
HIERRO PURO Hoja de Trabajos Prácticos Nº 1 Objetivos Al final de este capítulo usted será capaz de: - Comprender los cambios alotrópicos que se producen en el hierro. - Entender las diferentes propiedades que presenta el hierro puro a temperatura ambiente.
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Ejercicio 1 El hierro es un metal alotrópico debido a que puede existir en más de un tipo de estructura cristalina dependiendo de la temperatura, siendo un proceso reversible. Complete los datos que faltan en la Figura 1, como: temperaturas, cambios de fase, tipos de estructura cristalina y nombre de las fases presentes.
T (º C)
1535
L → Fe-δ
Fe-δ (BCC ó CCCu)
Nombre de la fase: ……………………...
Nombre de la fase: ……………………...
tiempo Figura 1. Ejercicio 1
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Ejercicio 2 Complete la Tabla 2 considerando las propiedades que presenta el hierro puro (Fe) a temperatura ambiente.
Tabla 2. Ejercicio 2 Propiedad Mecánica
Unidades MPa
Resistencia a la tracción kg/m2 Elongación (Ductilidad)
%
Dureza Brinell
HB
Densidad
g/cm3
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Valor
Baja-Media-Alta
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INTRODUCCIÓN AL DIAGRAMA DE EQUILIBRIO Fe-Fe3C Hoja de Trabajos Prácticos Nº 2 Objetivos
- Distinguir las diferentes fases que se producen en el diagrama de equilibrio Fe-Fe3C. - Determinar las cantidades relativas de las fases presentes a temperatura ambiente, en un acero al carbono, de acuerdo con en el diagrama de equilibrio Fe-Fe3C.
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Ejercicio 1 Complete la Tabla 1 indicando las fases que se pueden encontrar presentes en el diagrama de equilibrio Fe-Fe3C a diferentes temperaturas.
Tabla 1. Ejercicio 1 Tipo de Fase
Nombre de la Fase
Liquido
Solución sólida intersticial
Compuesto intersticial
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Estructura cristalina (arreglo atómico)
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Ejercicio 2 Completar las fases y las temperaturas de la porción del diagrama Fe-Fe3C.
T °C
Liquido
T °C =
0,008
0,8 18
%C
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Ejercicio 3 Completar las fases y las temperaturas del diagrama completo Fe-Fe3C. Fe3C
T °C
Liquido
1130
0,025
0,008
%C
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Ejercicio 4 Determine el porcentaje en peso de las fases que se encuentran presentes en un acero AISI 1040 (acero al carbono de 0,4 % de carbono en peso), a temperatura ambiente, el cual fue enfriado lentamente (en equilibrio).
Ejercicio 5 Determine el porcentaje en peso de las fases que se encuentran presentes en un acero AISI 1080 (acero al carbono de 0,8 % de carbono en peso), a temperatura ambiente, el cual fue enfriado lentamente (en equilibrio).
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Ejercicio 6 Determine el porcentaje en peso de las fases que se encuentran presentes en un acero DIN CK140 (acero al carbono de 1,4 % de carbono en peso), a temperatura ambiente, el cual fue enfriado lentamente (en equilibrio).
Ejercicio 7 Determine el porcentaje en peso de las fases que se encuentran presentes en un acero DIN CK 200 (acero al carbono de 2,08 % de carbono en peso), a temperatura ambiente, el cual fue enfriado lentamente (en equilibrio).
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PORCIÓN DEL DIAGRAMA Fe-Fe3C DE LOS ACEROS Hoja de Trabajos Prácticos Nº 3 Objetivo General - Entender el uso y aplicaciones de la porción del diagrama Fe-Fe3C que corresponde a los aceros al carbono. Objetivos específicos - Comprender mediante la aplicación del diagrama de equilibrio Fe-Fe3C los cambios microestructurales que se producen durante el enfriamiento de los aceros ordinarios desde la región austenítica. - Determinar la cantidad y los tipos de fases y microconstituyentes que se presentan, a diversas temperaturas, en los aceros ordinarios a través de la aplicación del diagrama de equilibrio Fe-Fe3C - Predecir las propiedades mecánicas (resistencia a la tracción, dureza y ductilidad) a temperatura ambiente de los aceros al carbono enfriados lentamente. - Distinguir las diferencias en propiedades mecánicas que existen entre los microconstituyentes que se presentan a temperatura ambiente en los aceros al carbono.
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Ejercicio 1.1 Complete los datos que faltan en la porción del diagrama de fase Fe-Fe3C. Indique temperaturas, fases presentes y contenidos de carbono.
T °C
Acm
A3
α
Fases a temperatura ambiente …………………….……...
%C
Figura 1.1. Ejercicio 1.1
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Ejercicio 1.2 Complete los datos que faltan en la porción del diagrama de fase Fe-Fe3C. Indique temperaturas, microconstituyentes presentes y contenidos de carbono.
T °C
Acm
A3
α
Microconstituyentes
Microconstituyentes
…………………….……...
…………………….……...
%C
Figura 1.2. Ejercicio 1.2
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Ejercicio 2 Determine el porcentaje en peso de los microconstituyentes que se encuentran presentes en un acero DIN CK40 (acero al carbono de 0,4 % de carbono en peso), a temperatura ambiente, el cual fue enfriado lentamente (en equilibrio).
Ejercicio 3 Determine el porcentaje en peso de los microconstituyentes que se encuentran presentes en un acero DIN CK60 (acero al carbono de 0,6 % de carbono en peso), a temperatura ambiente, el cual fue enfriado lentamente (en equilibrio).
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Ejercicio 4 Determine el porcentaje en peso de los microconstituyentes que se encuentran presentes en un acero AISI 1040 (acero al carbono de 1,4 % de carbono en peso), a temperatura ambiente, el cual fue enfriado lentamente (en equilibrio).
Ejercicio 5 Determine el porcentaje en peso de los microconstituyentes que se encuentran presentes en un acero DIN CK200 (acero al carbono de 2,0 % de carbono en peso), a temperatura ambiente, el cual fue enfriado lentamente (en equilibrio).
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Ejercicio 6 En la Figura 6 se muestra una porción del diagrama de equilibrio Fe-Fe3C, se pide esquematizar los cambios microestructurales que ocurren durante el enfriamiento del acero DIN CK 80, señalando mediante flechas los nombres de los microconstituyentes, así mismo, completar la Tabla 6, indicando el nombre y el porcentaje en peso de las fases y los microconstituyentes a las temperaturas señaladas. T (°C) DIN CK80
1000 °C
723 °C
%C
Figura 6. Porción del diagrama Fe-Fe3C Tabla 6. FASES
Temperatura ( °C )
Nombre
MICROCONSTITUYENTES
% en peso
1000
724
722
27
Nombre
% en peso
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Ejercicio 7 En la Figura 7 se muestra una porción del diagrama de equilibrio Fe-Fe3C, se pide esquematizar los cambios microestructurales que ocurren durante el enfriamiento del acero DIN CK 40, señalando mediante flechas los nombres de los microconstituyentes, así mismo, completar la Tabla 7, indicando el nombre y el porcentaje en peso de las fases y los microconstituyentes a las temperaturas señaladas. T (°C) DIN CK40
1000 °C
724 °C
%C
Figura 7. Porción del diagrama Fe-Fe3C Tabla 7. FASES
Temperatura ( °C )
Nombre
MICROCONSTITUYENTES
% en peso
1000
724
20
28
Nombre
% en peso
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Ejercicio 8 Esquematizar los cambios microestructurales que ocurren durante el enfriamiento del acero AISI 1025. Completar la Tabla 8 indicando el nombre y el porcentaje en peso de las fases y los microconstituyentes a las temperaturas señaladas.
T (°C) AISI1025
1000 °C
724 °C
%C
Figura 8. Porción del diagrama Fe-Fe3C Tabla 8. FASES
Temperatura ( °C )
Nombre
MICROCONSTITUYENTES
% en peso
1000
724
20
29
Nombre
% en peso
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Ejercicio 9 Esquematizar los cambios microestructurales que ocurren durante el enfriamiento del acero DIN CK 140. Completar la Tabla 5 indicando el nombre y el porcentaje en peso de las fases y los microconstituyentes a las temperaturas señaladas. Tabla 9. FASES
Temperatura ( °C )
Nombre
MICROCONSTITUYENTES
% en peso
Nombre
% en peso
1000
724
722
T °C 1000 °C
724 °C
722 °C
%C Figura 9. Porción del diagrama Fe-Fe3C 30
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Ejercicio 10 Se realizó un análisis metalográfico a una muestra de acero con recocido total (enfriado lentamente). Se determinó que contenía 75 % de ferrita como microconstituyente y 25 % de perlita. Si se sabe que: Resistencia a la tracción de la ferrita : 28 kg/mm2 Resistencia a la tracción de la perlita : 60 kg/mm2 Resistencia a la tracción de la cementita : 5 kg/mm2 Calcule la resistencia a la tracción en kg/mm2 y en MPa del acero.
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Ejercicio 11 Calcule la resistencia a la tracción, en kg/mm2 y en MPa, de un acero que contiene aproximadamente 50 % de ferrita y 50 % de perlita como microconstituyentes.
Ejercicio 12 Calcule la resistencia a la tracción, en kg/mm2 y en MPa, de un acero que contiene aproximadamente 25 % de ferrita y 75 % de perlita.
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Ejercicio 13 Complete la Tabla 13 considerando los microconstituyentes que se pueden encontrar en un acero al carbono enfriado lentamente (de acuerdo al diagrama de equilibrio Fe-Fe3C): ferrita, perlita y cementita.
Tabla 13. Ejercicio 13 Propiedad Mecánica
Microconstituyente
Mayor dureza Más blando Más dúctil Más resistente
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Ejercicio 14 Se tiene el acero AISI 1060 el cual fue enfriado en equilibrio: a) Esquematice su microestructura b) Determine la cantidad de las fases presentes, en % en peso, a temperatura ambiente c) Determine la cantidad de los microconstituyentes a temperatura ambiente d) Determine su resistencia a la tracción en MPa y en kg/mm2
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Ejercicio 15 Se tiene el acero DIN CK 100 el cual fue enfriado en equilibrio: a) Esquematice su microestructura b) Determine la cantidad de las fases presentes, en % en peso, a temperatura ambiente c) Determine la cantidad de los microconstituyentes a temperatura ambiente d) Determine su resistenc
ia a la tracción en MPa y en kg/mm2
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