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CIENCIA DE LOS MATERIALES Diagrama Hierro-Carbono

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Entrega 11/nov y 18/nov 10/nov

Producción de Hierro y Acero

Óxido de Hierro

Coque (Carbono)

Arrabio en bruto

Impurezas

Producción de Hierro y Acero

Los aceros al carbono simples son aleaciones de hierro y carbono que contienen hasta 1.2% de carbono aproximadamente. Sin embargo, la mayoría de los aceros contienen menos del 0.5% de carbono.

Producción de Hierro y Acero El procedimiento más común para convertir el arrabio en acero es el proceso básico de oxígeno. En dicho proceso, el arrabio y hasta un 30% de chatarra de acero de introducen a un convertidor con revestimiento refractario, en el cual se inserta una lanza de oxígeno.

El oxígeno puro proveniente de la lanza reacciona con el baño líquido para formar óxido de hierro. En seguida, el carbono del acero reacciona con el óxido de hierro y forma monóxido de carbono.

Producción de Hierro y Acero

Posteriormente se agregan fundentes que forman escoria, con la finalidad de reducir la concentración de impurezas. El acero derretido que viene del convertidor se vierte en moldes estacionarios o se vacía continuamente en largas planchas de las cuales se cortan periódicamente grandes secciones.

Producción de Hierro y Acero

Producción de Hierro y Acero

Diagrama Hierro y Carbono

Diagrama Hierro y Carbono. Fases sólidas Ferrita (𝛼). Esta fase es una solución sólida intersticial de carbono en una estructura cristalina BCC. Como se indica en el diagrama de fases Fe-𝐹𝑒3 𝐶, el carbono es sólo ligeramente soluble en ferrita 𝛼 y alcanza una solubilidad de sólidos máxima de 0.02% a 723°C. La solubilidad del carbono en ferrita disminuye a 0.005 por ciento a 0°C. Es suave, dúctil y magnética. Austenita (𝛾). La solución sólida intersticial del carbono en hierro se conoce con el nombre de austenita. La austenita tiene una estructura cristalina FCC y una solubilidad sólida mucho más alta para el carbono que la ferrita 𝛼. La solubilidad sólida del carbono en la austenita alcanza un máximo de 2.08 por ciento a 1148°C y disminuye a 0.8 por ciento a 723°C. No es magnética.

Diagrama Hierro y Carbono. Fases sólidas Cementita (𝐹𝑒3 𝐶). El compuesto intermetálico 𝐹𝑒3 𝐶 se llama cementita. La cementita tiene límites de solubilidad insignificantes y una composición de 6.67% C y 93.3% Fe. La cementita es un compuesto duro y frágil. Ferrita (𝛿). La solución sólida intersticial de carbono en hierro 𝛿 se llama ferrita 𝛿. Tiene una estructura cristalina cúbica centrada en el cuerpo (BCC) igual que la ferrita 𝛼, pero con una constante de red más alta. La solubilidad sólida máxima del carbono en la ferrita es de 0.09 por ciento a 1465°C.

Diagrama Hierro y Carbono. Fases sólidas Perlita. Mezcla de fases de ferrita (𝛼) y cementita (𝐹𝑒3 𝐶) en placas paralelas (estructura laminar) producida por la descomposición eutectoide de la austenita (𝛾).

Diagrama Hierro y Carbono. Fases sólidas

Diagrama Hierro y Carbono. Reacciones invariantes

1. Reacción peritéctica

Diagrama Hierro y Carbono

Diagrama Hierro y Carbono Líquido 0.53%C Ferrita 𝛿 0.09%C Austenita 𝛾 0.17%C

Diagrama Hierro y Carbono. Reacciones invariantes 1.

Reacción peritéctica

Diagrama Hierro y Carbono. Reacciones invariantes

2. Reacción eutéctica

Diagrama Hierro y Carbono

Diagrama Hierro y Carbono Líquido 4.3%C Austenita 𝛾 2.08%C Cementita 𝐹𝑒3 𝐶 6.67%C

Diagrama Hierro y Carbono. Reacciones invariantes 2.

Reacción eutéctica

Diagrama Hierro y Carbono. Reacciones invariantes

3. Reacción eutectoide

Diagrama Hierro y Carbono

Diagrama Hierro y Carbono Austenita 𝛾 0.8%C Ferrita 𝛼 0.02%C Cementita 𝐹𝑒3 𝐶 6.67%C

Diagrama Hierro y Carbono. Reacciones invariantes 3.

Reacción eutectoide

Diagrama Hierro y Carbono. Reacciones invariantes Un acero al carbono simple que contiene 0.8% C se conoce como acero eutectoide porque cuando la austenita (𝛾) de esta composición es enfriada lentamente a menor temperatura de la eutectoide se forma una estructura totalmente eutectoide de ferrita (𝛼) y Cementita (𝐹𝑒3 𝐶). Cuando un acero al carbono simple contiene menos de 0.8% C se llama acero hipo-eutectoide, y si el acero contiene más de 0.8% C se le llama acero hiper-eutectoide.

Diagrama Hierro y Carbono. Enfriamiento de aceros eutectoides

Diagrama Hierro y Carbono. Enfriamiento de aceros eutectoides Austenitizado: calentamiento de un acero dentro del rango de la temperatura de la austenita, de modo que su estructura se vuelva austenita. La temperatura de austenitizado varía según la composición del acero.

Diagrama Hierro y Carbono. Enfriamiento de aceros eutectoides Ejercicio: Un acero al carbono simple eutectoide con 0.80% C se enfría lentamente desde 750°C hasta una temperatura apenas por abajo de 723°C . Suponiendo que la austenita se transforme totalmente en ferrita y cementita: a) Calcule el porcentaje en peso de ferrita eutectoide que se forma. b) Calcule el porcentaje en peso de cementita eutectoide que se forma.

Diagrama Hierro y Carbono. Enfriamiento de aceros hipoeutectoides

Diagrama Hierro y Carbono. Enfriamiento de aceros hipoeutectoides Ejercicio: Un acero al carbono simple hipo-eutectoide con 0.40% C es enfriado lentamente desde 940°C hasta una temperatura apenas por arriba de 723°C. a) Calcule el porcentaje en peso de la austenita presente en el acero. b) Calcule el porcentaje en peso de la ferrita pro-eutectoide presente en el acero.

Diagrama Hierro y Carbono. Enfriamiento de aceros hipereutectoides

Diagrama Hierro y Carbono. Enfriamiento de aceros hipereutectoides Ejercicio: Un acero al carbono simple hiper-eutectoide con 0.90% C se enfría lentamente a partir de 900°C hasta una temperatura apenas por arriba de 723°C. • ¿Qué micro-estructuras estarán presentes y cual será el porcentaje en peso de cada una de ellas? • Determine el sólido eutectoide formado como resultado de llegar a una temperatura inferior a los 723°C

Diagrama Hierro y Carbono. Enfriamiento de aceros hipoeutectoides Ejercicio: Un acero al carbono simple hipo-eutectoide que se enfrió lentamente desde la región austenítica hasta la temperatura ambiente contiene 9.1 por ciento en peso de ferrita eutectoide. Suponiendo que no hay cambio de estructura con el enfriamiento desde una temperatura ligeramente inferior a la temperatura eutectoide hasta la temperatura ambiente, ¿cuál es el contenido de carbono en el acero?

Diagrama Hierro y Carbono. Enfriamiento de aceros hipoeutectoides Ejercicio: La fracción másica de cementita eutectoide en un acero es 0.114. ¿Es posible determinar, con este dato, la composición del acero? ¿Cuál es? Si no es posible, justificarlo.

Diagrama Hierro y Carbono. Enfriamiento de aceros hipoeutectoides Ejercicio: La microestructura de un acero al carbono consta de cementita pro-eutectoide y de perlita; las fracciones de masa de estos micro-constituyentes son 0.11 y 0.89, respectivamente. Determinar el porcentaje de carbono del acero.