Metalurgia de Aceros: Disoluciones Sólidas y Transformaciones Termodinámicas

Tipos de Disoluciones Sólidas

Las disoluciones sólidas se clasifican principalmente en dos tipos:

1. Por Sustitución

   Los átomos del disolvente y del soluto tienen una estructura cristalina similar y ambos forman parte del edificio cristalino al reemplazarse átomos del disolvente por átomos del soluto.

2. Por Inserción

   Se presenta cuando los átomos de soluto son muy pequeños comparados con los del disolvente, y se colocan en el interior de la red cristalina del disolvente.

Constituyentes Fundamentales de los Aceros

• Ferrita

  Solución sólida de Carbono (C) en Hierro alfa (Fe α). Su solubilidad es tan pequeña a temperatura ambiente que disuelve como máximo el 0,008% de C. Por esta razón, se considera a la ferrita como Fe α puro. Es el constituyente más blando y dúctil de los aceros. Cristaliza como hierro alfa en red cúbica centrada en el cuerpo (BCC).

• Cementita

  Es el constituyente más duro y frágil de los aceros. Cristaliza en redes ortorrómbicas.

• Perlita

  Constituyente formado por 86% de ferrita y 13,5% de cementita.

• Austenita

  Está formada por una solución sólida por inserción de C en Hierro gamma (Fe γ). La proporción de C disuelto varía desde el 0% al 1,76%. Es el constituyente más denso de los aceros. Está formada por cristales cúbicos de Fe γ, donde los átomos de C están intercalados en las aristas y en el centro.

• Martensita

  Tras la cementita, es el constituyente más duro de los aceros. La martensita es una solución sólida sobresaturada de C en Fe α. Se obtiene por enfriamiento rápido de la austenita de los aceros. La proporción de C no es constante y varía hasta un contenido máximo de 0,89%, aumentando su dureza, resistencia mecánica y fragilidad con la proporción de C.

Estructuras de las Aleaciones Hierro-Carbono (Fe-C)

• Estructura Cristalina

  No es uniforme, varía según los constituyentes de la aleación, y estos cambian con la composición y temperatura.

• Estructura Micrográfica

  El elemento fundamental de esta estructura es el grano, que en los aceros tiene gran importancia, por lo que es preciso tenerlos en cuenta a la hora de la formación y desarrollo de su tamaño en los tratamientos térmicos. Las propiedades de los aceros son, en general, peores cuanto mayor es el tamaño del grano, a excepción de la capacidad de trabajarlo con máquinas, que se ve aumentada con el tamaño del grano.

• Estructura Macrografica

  Depende de las impurezas que contenga el acero y de la forja a que pueda ser sometido.

Comportamiento de las Aleaciones en el Diagrama Fe-C

• Aleación I

  Por encima del punto 1 solo hay líquido. Baja y comienza la transformación de austenita + líquido hasta que en el punto 2 solidifica totalmente. En el punto 3 la austenita se mezcla con ferrita y cuando sobrepasa el punto 4 se convierte en perlita + ferrita.

• Aleación II

  Comportamiento idéntico a la aleación I, con una sensible diferencia, y es que no existe el punto 3 porque toda la austenita se transforma bruscamente en perlita. Es la famosa eutectoide.

• Aleación III

  Primero hay líquido, luego hay líquido + austenita. Se solidifica en austenita y en el punto 5 ahora hay austenita + cementita. Por último, en el punto 6 se transforma bruscamente en perlita + cementita.

• Aleación IV

  Primero hay líquido, después el líquido se mezcla con la austenita y en el punto 7 comienza la solidificación y se forma austenita. Cuando llega a la línea eutéctica, todo él se transforma en ledeburita. El punto 8 desciende hasta que llega al punto 9 y se convierte en perlita.

• Aleación V

  Idéntica a la anterior, aunque en el punto C presenta un paso brusco de solidificación en ledeburita (aleación eutéctica).

• Aleación VI

  Primero es líquido, luego se mezcla líquido + cementita. A partir del punto 11, se solidifica y se forma cementita + ledeburita.

Tratamientos Térmicos

Los tratamientos térmicos son procesos donde únicamente se utiliza la temperatura como magnitud variable modificadora de la microestructura y constitución de metales y aleaciones, pero sin variar su composición química. El objetivo de los tratamientos térmicos consiste en mejorar las propiedades mecánicas de materiales y aleaciones, de tal forma que unas veces interesa aumentar la dureza y resistencia mecánica, y otras veces la ductilidad o plasticidad para facilitar su conformación.