Diagrama de fases hierro-carbono
Todas las piezas de acero de calidad siguen un proceso de diseño y fabricación guiado por un modelo fundamental que determina su estructura y propiedades: el diagrama de fases hierro-carbono. Este diagrama es una representación importante de la concentración de carbono y la temperatura para las aleaciones hierro-carbono en diferentes fases. Es una herramienta eficaz para fabricantes y metalúrgicos que buscan las mejores aleaciones para sus piezas.
Los cambios típicos de fase, microestructura y temperatura de una aleación pueden orientar sobre el material de fabricación más adecuado según el uso previsto. Los usuarios finales también pueden basarse en la información del diagrama de fases para elegir piezas que se adapten a las condiciones de trabajo.
At BodaSomos muy reconocidos en China y a nivel internacional por nuestras inigualables piezas mecanizadas CNC, que cumplen con todos los requisitos, incluyendo el diagrama de fases hierro-carbono. Continúe leyendo para obtener más información sobre el fenómeno del diagrama de fases, que puede afectar la calidad de las piezas mecanizadas.
¿Qué es el diagrama de fases hierro-carbono?
Para responder a la pregunta de qué es el diagrama de fases hierro-carbono, primero definamos qué es un diagrama de fases, también llamado diagrama hierro-cementita. Este nombre alternativo se inspira en que el carbono aquí es principalmente carburo de hierro (Fe₃C) o cementita.
Un diagrama de fases es un concepto popular en los fundamentos de la ciencia de los materiales. Es una representación gráfica de las fases de un material que son estables a niveles específicos de presión y temperatura.
En el caso del diagrama de fases hierro-carbono, el gráfico muestra las fases de las aleaciones hierro-carbono a presión atmosférica y a diferentes temperaturas. Muestra los cambios de fase de estas aleaciones en función de los cambios en el contenido de carbono y la temperatura.
El peso de las concentraciones de carbono está en el eje horizontal (eje X), mientras que la temperatura está en el eje vertical (eje Y).
Conceptos básicos del diagrama Fe-C
Este gráfico es esencial para metalúrgicos e ingenieros que quieran comprender cómo se comportan los hierros fundidos y el acero en diferentes estados térmicos.
Analizaremos la importancia de este gráfico con más detalle en la siguiente sección.
¿Por qué es importante el diagrama Fe-C?
Con el diagrama de fases hierro-carbono, predecir las propiedades mecánicas y las microestructuras de las aleaciones hierro-carbono nunca ha sido tan fácil. Con una idea del comportamiento esperado de un metal en particular, podemos determinar fácilmente la combinación de aleaciones y los métodos de tratamiento térmico a utilizar. Explora el mecanizado CNC y sus ventajas para cada material.
En principio, el diagrama de fases hierro-carbono se considera un indicador del estado de las aleaciones de hierro en función de las condiciones ambientales. La importancia del diagrama se puede resumir así:
1. Es una herramienta predictiva
El fabricante y el ingeniero pueden utilizar este diagrama de fases como herramienta para predecir puntos de ebullición, puntos de fusión y otros cambios de fase que son fundamentales en la fabricación de piezas y en los procesos industriales que involucran el material.
2. Ayuda en el proceso de diseño de materiales
Al considerar los aspectos de la ciencia de los materiales relacionados con el mecanizado CNC de aleaciones de hierro, el diagrama de fases hierro-carbono es una herramienta esencial para el diseño. El diseñador puede considerar las propiedades previstas de un material y utilizarlas para diseñar productos mecanizados CNC más relevantes.
3. Ayuda a mejorar la eficiencia y la seguridad del proceso.
Comprender el diagrama de equilibrio de hierro y carbono es fundamental para salvaguardar la integridad de los sistemas y procesos industriales. Esto aplica a áreas donde los cambios de fase pueden provocar consecuencias catastróficas y potencialmente mortales.
En resumen, el diagrama Fe-C es una representación simplificada de la interacción compleja del hierro y el carbono, que resulta valiosa para científicos, diseñadores, ingenieros y fabricantes de materiales.
Fases en el diagrama de fases de hierro y carbono
El carbono tiene un gran efecto en el comportamiento del hierro, especialmente en sus propiedades mecánicas. Esto se debe a que altera su estructura cristalina. Las propiedades que cambian con el aumento del carbono en el diagrama de fases son la fragilidad, la dureza y la resistencia.
El carbono también afecta la microestructura del acero. Altera algunas propiedades del metal, como la ductilidad, la dureza y la resistencia.
Características del diagrama Fe-C
El aumento del contenido de carbono viene con la formación de diferentes microestructuras y fases como austenita, cementita, ferrita y perlita.
La siguiente tabla resume los efectos del carbono sobre el hierro.
| Nombre de la fase | Estructura cristalina | Tipo de fase | Características |
| Ferrita (α) | BCC | hierro bajo en carbono | Muy suave y dúctil. |
| Austenita (γ) | FCC | Sólida | Suave y dúctil. |
| Cementita (Fe₃C) | Compuesto intermetálico | Carburo de hierro (Fe3C) | Muy frágil y duro |
| Ledeburita | mezcla eutéctica | Mezcla de austenita y cementita | Extremadamente duro, presente en el hierro fundido. |
| Perlita | Lamelar | Capas alternas de ferrita y cementita | Fuerte y resistente |
| Martensita | BCT | Austenita templada | Extremadamente frágil y duro debido al enfriamiento rápido. |
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¿Cuál es la fase más dura en el diagrama hierro-carbono?
La fase más dura del diagrama de fases hierro-carbono es la cementita (Fe₃C). Su otro nombre es carburo de hierro. El nombre de cementita deriva del latín «caementum», que significa esquirlas de piedra.
Con un 6.67 % de C, esta fase es muy frágil y dura. Estas propiedades son fundamentales para el reforzamiento de fundiciones y aceros.
Las numerosas características y microestructuras de los aceros se atribuyen al carburo de hierro. Sus fases coexistentes son la fase γ (γ + Fe₃C) y la fase α (α + Fe₃C) a 3 °C-3 °C y por debajo de 727 °C, respectivamente.
Tipos de aleaciones en el diagrama de fases de hierro y carbono
Como ya se ha indicado, existen diversas fundiciones y aceros en los diagramas de fases de hierro y carbono, todos agrupados según su porcentaje de carbono. El diagrama de fases muestra cómo se presenta cada una de estas aleaciones en términos de propiedades de transformación y características de fase.
Las aleaciones ferrosas en el diagrama se pueden agrupar como límites, el punto eutéctico y los campos de fase.
1. Límites en el diagrama de fases de hierro y carbono
Existen líneas o límites importantes dentro del diagrama, designados como A1, A2, A3, A4 y ACM. Estas representan las temperaturas de las transformaciones de fase a medida que las aleaciones se enfrían o calientan. Representan los puntos en los que una aleación cambia de fase.
Límites
A1: Límite superior del campo de fase ferrita/cementita
A2: Pérdida de magnetismo del hierro
A3: Límite entre austenita/ferrita y austenita γ.
A4:α se transforma en δ a alta temperatura
ACM: Límite entre el campo austenita/cementita y la austenita γ
2. El punto eutéctico
El punto eutéctico en el diagrama de fases hierro-carbono se encuentra a 1,147 °C y con un contenido de carbono del 4.3 %. Es el punto donde se unen las diferentes fases. En el diagrama de fases actual, este punto se define por el punto de encuentro de A1, A3 y ACM.
El punto eutéctico
Este punto se caracteriza por la congelación de una fase líquida en dos fases sólidas, en lo que se denominan reacciones eutécticas. La mezcla específica en este caso consiste en austenita y cementita.
3. Campos de fase
Los campos de fases son las áreas dentro de los límites, que muestran diferentes fases definidas por condiciones particulares. Los principales campos de fases en el diagrama de equilibrio de hierro y carbono son las aleaciones hipoeutectoides, eutectoides y hipereutectoides.
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Tipos de acero en el diagrama de fases de hierro y carbono
El diagrama de fases hierro-carbono ayuda a diferenciar los tipos de acero según su contenido de carbono. En esta sección, identificamos los tipos de acero que se pueden referenciar en el diagrama. Estos incluyen aceros de bajo carbono, aceros de medio carbono y aceros de alto carbono. También se incluyen los aceros eutectoides.
Primero, aquí hay una tabla completa que muestra los tipos de acero en el diagrama de fases hierro-carbono contra su contenido de carbono aproximado y aplicaciones:
| Tipo de acero industrial | Contenido de carbon | Clasificación metalúrgica | Microestructura | Aplicaciones comunes |
| Acero bajo en carbono | 0.05 – 0.30 | Hipoeutectoide | Ferrita más algo de perlita | Paneles, estructuras y tuberías de vehículos |
| Acero al Carbono Medio | 0.30 – 0.60 | Hipoeutectoide | Ferrita más perlita | Ejes y palieres |
| Alta de acero al carbono | ~ 0.76 | Eutectoide | Perlita – pura | Rieles y resortes resistentes |
| Alta de acero al carbono | 0.76 – 1.00 | Hipereutectoide | Perlita más cementita (Fe₃C) | Piezas resistentes al desgaste, herramientas de corte |
| Alta de acero al carbono | 1.00 – 2.00 | Hipereutectoide | Perlita más Cementita (Fe₃C) | esto, |
Aceros de Alto Carbono
Una matriz de acero con alto contenido de carbono
Esta categoría de acero contiene entre un 0.60 % y un 2.00 % de carbono. Está compuesta por acero muy resistente y duro. Los materiales también pueden ser resistentes a la corrosión si el cromo no forma parte de la aleación.
Los aceros con alto contenido de carbono se utilizan ampliamente para matrices y herramientas de corte debido a su dureza y resistencia superiores.
Aceros al Carbono Medio
Engranajes de acero al carbono medio
En los aceros de medio carbono, el contenido de carbono es menor, entre el 0.30 % y el 0 %. Esto confiere a los materiales una dureza y resistencia considerables, además de resistencia a la corrosión. Los aceros de medio carbono son ideales para piezas de maquinaria como ejes, engranajes y ejes.
Aceros de bajo carbono
Pernos de acero con bajo contenido de carbono
Los aceros bajos en carbono se encuentran con un contenido de carbono aún menor, de entre el 0.05 % y el 0.30 %. Además de ser más económicos, estos aceros son relativamente maleables y dúctiles. Son materiales ideales para fijaciones y tuberías, entre otras aplicaciones.
Aplicaciones en el diagrama de fases hierro-carbono
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Conclusión
El diagrama de fases hierro-carbono es, sin duda, una herramienta crucial en el mecanizado CNC y otros procesos de aleaciones de hierro. Es una solución de la ciencia de los materiales que guía el tratamiento térmico y la selección de aleaciones para diferentes proyectos. Esperamos que ahora esté más informado sobre uno de los principales enfoques utilizados para identificar los mejores materiales para sus proyectos.
A medida que el campo metalúrgico continúa avanzando, podemos estar seguros de que los ingenieros, metalúrgicos e investigadores continuarán consultando el diagrama de fases hierro-carbono.