Estructura, fases y reacciones del hierro y del diagrama Fe–Fe3C

Aceros

El hierro es un metal que presenta distintas estructuras alotrópicas en función de la temperatura. Desde su solidificación hasta los 1400 °C presenta una estructura BCC, llamada hierro delta. Entre 1400 °C y 912 °C presenta una estructura FCC, llamada hierro gamma (γ). Por debajo de 912 °C presenta una estructura BCC llamada hierro alfa.

El hierro puro es muy blando y presenta baja resistencia mecánica. La adición de carbono, aun en pequeñas cantidades, aumenta su resistencia mecánica.

En las aleaciones hierro-carbono, éste puede presentarse de tres formas distintas:

• Disuelto en el hierro formando una solución sólida intersticial. La solubilidad del carbono en el hierro es muy baja; los intersticios de la red BCC del hierro alfa son más pequeños que los de la red FCC del hierro gamma. No obstante, el tamaño de los huecos es inferior al diámetro atómico del carbono, por lo que la presencia de éste distorsiona la red provocando un endurecimiento. La solución sólida de inserción de carbono en el hierro alfa se denomina ferrita. La solución sólida de inserción de carbono en el hierro gamma se denomina austenita.
• Combinado químicamente con el hierro formando Fe₃C, denominado cementita. La cementita es un compuesto químico de composición fija 6,67 % C.
• En estado de carbono libre o grafito. El carbono en estado libre habitualmente no se presenta más que en las fundiciones de hierro.

Fases del diagrama Fe – Fe₃C

• Ferrita: Es la solución sólida intersticial de carbono en la red cristalina del hierro BCC; es prácticamente hierro puro, dado que la solubilidad máxima de C es de 0,022 % a 727 °C. Es el más blando de los constituyentes.
• Austenita: Es la solución sólida intersticial de carbono en la red cristalina del hierro FCC. La solubilidad máxima de carbono es del 2,11 % a 1148 °C.
• Cementita: Es un compuesto intersticial de formulación Fe₃C y composición fija 6,67 % C. Es dura y frágil.

Reacciones invariantes del diagrama

El diagrama se caracteriza por tener tres reacciones invariantes:

• Una reacción peritéctica a 1493 °C: Dado que se forma a partir de ferrita delta, que no es estable por temperaturas inferiores a estos 1493 °C, no es de mayor interés su estudio.
• Una reacción eutéctica: La fase líquida de composición 4,3 % C a 1147 °C se transforma simultáneamente en dos fases sólidas: austenita de 2,11 % C y cementita.
• Una reacción eutectoide: La austenita de composición 0,76 % C a 727 °C se transforma en ferrita y cementita (perlita).