Clasificación y microestructura de aceros y fundiciones según el contenido de carbono

Clasificación de Aleaciones Ferrosas por Contenido de Carbono

Las aleaciones de hierro y carbono se clasifican principalmente en aceros y fundiciones, basándose en la concentración de carbono:

• Aceros: Rango de carbono entre 0,00% y 2,11%.
• Aceros Hipoeutectoides: Contenido de carbono entre 0,00% y 0,77%.
• Aceros Hipereutectoides: Contenido de carbono entre 0,77% y 2,11%.
• Fundiciones: Concentración de carbono entre 2,11% y 6,66%.
• Fundiciones Hipoeutécticas: Concentración de carbono entre 2,11% y 4,30%.
• Fundiciones Eutécticas: Concentración de carbono de 4,30%.
• Fundiciones Hipereutécticas: Concentración de carbono entre 4,30% y 6,66%.

Fases y Constituyentes Principales

En las aleaciones de hierro-carbono, encontramos diversas fases y constituyentes:

• Austenita: Feγ (Hierro gamma). Es una solución sólida intersticial de carbono en hierro con estructura cristalina cúbica centrada en las caras (FCC).
• Ferrita: Feα (Hierro alfa). Es una solución sólida intersticial de carbono en hierro con estructura cristalina cúbica centrada en el cuerpo (BCC). Tiene una solubilidad muy baja de carbono.
• Cementita: Fe₃C. Es un compuesto intermetálico, carburo de hierro. Es una fase muy dura y frágil.
• Perlita: Es un constituyente microestructural que resulta de la descomposición eutectoide de la austenita. Es una mezcla lamellar de ferrita y cementita.
• Ledeburita: Es una mezcla eutéctica que se forma al enfriar fundición líquida con 4,3% de carbono. Está compuesta por austenita y cementita. A temperatura ambiente, la austenita se transforma en perlita, por lo que la ledeburita a temperatura ambiente consiste en perlita y cementita.

Formas del Carbono en una Aleación Ferrosa

El carbono puede presentarse en una aleación de hierro de diferentes maneras:

• Como solución sólida intersticial (en ferrita o austenita).
• Como compuesto intermetálico (carburo de hierro, Fe₃C, cementita).
• Como carbono libre (grafito).

Microestructura de Aceros según Contenido de Carbono

Acero Eutectoide (0,77% C)

Son aquellos que, en la fase austenítica sólida, tienen la composición del eutectoide.

Características y Evolución Microestructural:

• Punto "a": La austenita al microscopio se presenta como granos orientados al azar.
• Punto "b": Durante el enfriamiento de la austenita, se desarrollan dos fases: ferrita y cementita. Esta transformación de fases necesita de una difusión del carbono, ya que las fases tienen composición diferente. La microestructura resultante es perlita.

Acero Hipoeutectoide (0,00% - 0,77% C)

La fase austenítica sólida tiene un contenido de carbono inferior al eutectoide (0,77%).

Características y Evolución Microestructural:

• Punto "c": Microestructura homogénea con granos de austenita al azar.
• Punto "d": Al enfriar, encontramos fase ferrítica (ferrita proeutectoide) y una región bifásica (α+γ, ferrita + austenita).
• Punto "e": Al bajar la temperatura, aumenta el contenido de fase α (ferrita).
• Punto "f": La ferrita proeutectoide no cambia, y la austenita restante se transforma en perlita al alcanzar la temperatura eutectoide. La microestructura final es ferrita proeutectoide + perlita.

Acero Hipereutectoide (0,77% - 2,11% C)

Aquellos que, en la fase sólida de austenita, tienen un contenido de carbono entre 0,77% y 2,11%.

Características y Evolución Microestructural:

• Punto "g": Microestructura austenítica homogénea con granos al azar.
• Punto "h": Al enfriar, se desarrolla la cementita (cementita proeutectoide) en los límites de grano de la austenita, y encontramos una región bifásica (γ + Fe₃C, austenita + cementita).
• Punto "i": Por debajo de la temperatura eutectoide, la austenita restante se transforma en perlita. La microestructura final es perlita + cementita proeutectoide.

Tipos Comunes de Fundiciones

Existen cuatro tipos principales de fundiciones, clasificadas según la forma en que solidifica el carbono:

• Fundiciones Grises:
  • Contenido de carbono: 2,5% a 4,0%.
  • Contienen silicio en 1% a 3%.
  • Distribución del grafito: Aparece en forma de escamas dentro de la matriz de ferrita o perlita.
  • Características: Son frágiles y poco resistentes a la tracción. Tienen buena resistencia y ductilidad a la compresión. Amortiguan mucho más la energía vibracional que los aceros.
  • Usos: Se utilizan en la construcción de piezas que vibran (bases de máquinas, bloques de motor).
• Fundiciones Dúctiles (o Nodulares):
  • Se consiguen agregando magnesio a las fundiciones grises en estado líquido, lo que hace que el grafito precipite en forma esferoidal (nódulos).
  • Características: No es frágil y sus propiedades mecánicas son similares a las del acero.
  • Usos: Se utilizan en la fabricación de válvulas, engranajes de alta resistencia, cigüeñales, etc.
• Fundiciones Blancas:
  • Contienen poco carbono y la presencia de silicio es menor a 1%.
  • La mayor parte del carbono está como cementita (Fe₃C) y no como grafito.
  • Características: Extremadamente dura y frágil, imposible de mecanizar con herramientas convencionales.
  • Usos: Se utiliza para componentes de gran dureza y resistencia al desgaste (rodillos de laminación, revestimientos de molinos).
• Fundiciones Maleables:
  • Se obtienen a partir de fundición blanca mediante un tratamiento térmico prolongado (maleabilización) en atmósfera inerte para evitar la oxidación.
  • Durante el tratamiento, la cementita se descompone para dar grafito en forma de racimos (nódulos irregulares) dentro de la matriz ferrítica o perlítica.
  • Microestructura parecida a las fundiciones esferoidales (dúctiles), pero con grafito en racimos.
  • Características: Mayor ductilidad y tenacidad que la fundición blanca.
  • Usos: Componentes que requieren cierta ductilidad y resistencia al impacto (conexiones de tuberías, piezas de automoción).

Grupos Principales de Aceros Inoxidables

Los aceros inoxidables se clasifican en tres grupos principales según su microestructura a temperatura ambiente:

• Aceros Inoxidables Martensíticos:
  • Se obtienen mediante tratamientos térmicos de temple y revenido.
  • Contienen Fe, C (mayor que en otros inox), Cr (generalmente 12-18%) y Mn.
  • Usos: Cuchillería, instrumental quirúrgico, álabes de turbinas.
• Aceros Inoxidables Ferríticos:
  • Se obtienen por recocido o enfriamiento al aire.
  • Contienen Fe, C (bajo), Cr (generalmente 11-30%) y Mn.
  • Usos: Válvulas de alta temperatura, componentes de escape de automóviles, electrodomésticos.
• Aceros Inoxidables Austeníticos:
  • Se obtienen por recocido y enfriamiento rápido.
  • Contienen Fe, C (bajo), Cr (generalmente 16-26%), Ni (generalmente 6-22%) y Mn. El Níquel estabiliza la fase austenita a temperatura ambiente.
  • Usos: Industria alimentaria, química, farmacéutica, construcción (estructuras, fachadas), menaje.