Diagrama hierro carbono.docx
- 1. REPUBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA UNIDAD EDUCATIVA ANTONIO JOSE DE SUCRE CARRERA: MECANICA DIAGRAMA HIERRO CARBONO NOMBRE: LEONEL GOMEZ C.I: 30.109.659
- 2. 1.- Identificar las aleaciones de Hierro. 1.1) El hierro: El hierro es un elemento químico de número atómico 26 situado en el grupo 8, periodo 4 de la tabla periódica de los elementos. Su símbolo es Fe, por lo que pertenece al grupo de los metales de transición. En la Tierra, a temperatura y presión estándar se encuentra en estado sólido formando parte de numerosos minerales, pero muy raramente en estado puro. y tiene una masa atómica de 55,847 u. Este metal de transición es el cuarto elemento más abundante en la corteza terrestre, representando un 5 % y, entre los metales, solo el aluminio es más abundante, y es el primero más abundante en masa planetaria, debido a que el planeta, en su núcleo, concentra la mayor masa de hierro nativo, equivalente a un 70 %. El núcleo de la Tierra está formado principalmente por hierro y níquel en forma metálica, generando al moverse un campo magnético. Ha sido históricamente muy importante, y un período de la historia recibe el nombre de Edad de Hierro. En cosmología, es un metal muy especial, pues es el metal más pesado que puede ser producido por la fusión en el núcleo de estrellas masivas; los elementos más pesados que el hierro solo pueden crearse en supernovas. El hierro como ya se había mencionado es el segundo metal más abundante de la corteza terrestre, solo por detrás del aluminio, y el cuarto elemento más abundante de la misma, tras el oxígeno y el silicio y aluminio. A nivel planetario se trata del elemento más abundante de la Tierra, ya que el hasta el 70% del núcleo de nuestro planeta está compuesto de hierro en estado fundido. Además, el hierro es el elemento más pesado que puede generarse por fusión en el núcleo de las estrellas más masivas. Todos los elementos de la tabla periódica más pesados que el hierro solo pueden formarse en las explosiones de supernova. No se sabe a cierta quien fue el descubridor del hierro, pues los primeros indicios de su uso datan de hace unos 3.500 años a.C. por parte de los sumerios y los egipcios. De hecho se cree que el primer hierro empleado por los seres humanos, no fue extraído de nuestro planeta, si no que procedía de los meteoritos. Cuando empezó a emplearse por los seres humanos, el hierro fue considerado un elemento relativamente extraño, casi tanto como el oro. Así, el hierro no empezó a tomar relevancia en la historia de la Humanidad hasta aproximadamente el año 1.000 a.C., época conocida como la Edad del Hierro, en la cual se sustituyó paulatinamente al bronce en la fabricación de armas y otros utensilios.
- 3. 1.2) constitución del hierro: El hierro no se encuentra en la naturaleza en su forma pura, sino formando parte de numerosos minerales, generalmente en forma de óxido. ● El punto de ebullición del hierro se encuentra a los 3.000 ºC y el punto de fusión a los 1.536 ºC. ● El átomo de hierro tiene una configuración electrónica 1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p6, 3d6. ● El hierro es un metal extremadamente duro y denso, maleable, de color gris plateado, y presenta propiedades magnéticas. ● Los estados de oxidación más comunes del hierro son el +2 y +3. ● El hierro en la naturaleza está compuesto por una mezcla de cuatro isótopos estables: 56Fe, 54Fe, 57Fe y 58Fe, cuyas abundancias relativas son del 91,66 %, 5,82%, 2,19% y 0,33% respectivamente. ● Para obtener el hierro en estado puro se han de reducirse primero los óxidos de los minerales y someter el producto a un proceso de refinado para eliminar las impurezas. ● Los minerales de hierro de mayor importancia son: la hematita (Fe2O3), la limonita, (Fe2O3), la magnetita (Fe3O4) y la siderita (FeCO3). El hierro es un elemento esencial para el funcionamiento del organismo de los seres vivos. Alrededor del el 0,004% del peso de una persona corresponde al hierro, es decir, de media los seres humanos poseen 4,5 gramos de hierro en su organismo. La mayor parte de este hierro, el 65% aproximadamente, se encuentra formando parte de la hemoglobina: la proteína de los glóbulos rojos de la sangre encargada de transportar el oxígeno desde los pulmones por todo el cuerpo a través del sistema circulatorio. También es indispensable en la mioglobina, la proteína que suministra energía a los músculos. Un pequeño porcentaje del hierro en el cuerpo humano, el 1%, se encuentra formando parte de diversas enzimas, y el resto se acumula en diversos órganos como el bazo, el hígado o la médula ósea como potencial reserva para la producción de hemoglobina.
- 4. 1.3) Características del hierro: Es un metal maleable, de color gris plateado, y presenta propiedades magnéticas (es ferromagnético a temperatura ambiente y presión atmosférica). Es extremadamente duro y denso. Se encuentra en la naturaleza formando parte de numerosos minerales, entre ellos muchos óxidos, y raramente se encuentra libre. Para obtener hierro en estado elemental, los óxidos se reducen con carbono y luego es sometido a un proceso de refinado para eliminar las impurezas presentes. Es el elemento más pesado que se produce exotérmicamente por fusión, y el más ligero que se produce a través de una fisión, debido a que su núcleo tiene la más alta energía de enlace por nucleón (energía necesaria para separar del núcleo un neutrón o un protón); por lo tanto, el núcleo más estable es el del hierro-56 (con 30 neutrones). Presenta diferentes formas estructurales dependiendo de la temperatura y presión. A presión atmosférica: ● Hierro-α: estable hasta los 911 °C. El sistema cristalino es una red cúbica centrada en el cuerpo (BCC). ● Hierro-γ: 911-1392 °C; presenta una red cúbica centrada en las caras (FCC). ● Hierro-δ: 1392-1539 °C; vuelve a presentar una red cúbica centrada en el cuerpo. ● Hierro-ε: Puede estabilizarse a altas presiones, presenta estructura hexagonal compacta (HCP). El hierro es el metal duro más usado, con el 95% en peso de la producción mundial de metal. El hierro puro (pureza a partir de 99,5%) no tiene demasiadas aplicaciones, salvo excepciones para utilizar su potencial magnético. El hierro tiene su gran aplicación para formar los productos siderúrgicos, utilizando este como elemento matriz para alojar otros elementos aleantes tanto metálicos como no metálicos, que confieren distintas propiedades al material. Se considera que una aleación de hierro es acero si contiene menos de un 2,1% de carbono; si el porcentaje es mayor, recibe el nombre de fundición. El acero es indispensable debido a su bajo precio y tenacidad, especialmente en automóviles, barcos y componentes estructurales de edificios. Las aleaciones férreas presentan una gran variedad de propiedades mecánicas dependiendo de su composición o el tratamiento que se haya llevado a cabo.
- 5. 1.4) Tipo de aleaciones de hierro: Los análisis de aleaciones consisten en determinar la composición exacta de un material y son de vital importancia a la hora de seleccionar una aleación para generar nuevos productos industriales. Aleaciones de hierro: Las aleaciones ferrosas, que incluyen aceros y hierros fundidos, tienen el hierro como elemento base y son las aleaciones metálicas más comunes debido a la abundancia, la facilidad de producción y la alta versatilidad del material. La mayor desventaja es la baja resistencia a la corrosión. El carbono es un elemento fundamental en todas las aleaciones ferrosas. En general, los niveles más altos de carbono aumentan la resistencia y la dureza, y disminuyen la ductilidad y la soldabilidad. Acero al carbono: Los aceros al carbono son básicamente mezclas de hierro y carbono. Existen diferentes tipos de acero dependiendo del porcentaje de carbono, así nos encontramos con: ● Acero de bajo carbono: con menos de un 0,30% de carbono, se caracteriza por una baja resistencia, pero una alta ductilidad. Los usos comunes incluyen el alambre, las formas estructurales, las piezas de máquinas y las láminas de metal. ● Acero de medio carbono: contiene entre un 0,30% y un 0,70% de carbono y se utiliza frecuentemente para ejes, engranajes y piezas de máquinas. ● Acero con alto contenido de carbono: posee entre un 0,70% y un 1,40% de carbono, se caracteriza por tener una alta resistencia, pero baja ductilidad y sus usos más comunes incluyen taladros, herramientas de corte, cuchillos y resortes. Acero inoxidable: Los aceros inoxidables poseen buena resistencia a la corrosión gracias a la adición de cromo como ingrediente de aleación. Acero inoxidable austenítico: La aleación de acero inoxidable austenítico es la forma más común de acero inoxidable y por ello posee multitud de usos en diferentes industrias. Compuesto por aleaciones de cromo y níquel, es el que mayor resistencia presenta frente a la corrosión de entre todos los aceros inoxidables. Además, es el más soldable debido a su bajo contenido de carbono y sólo puede ser reforzado mediante trabajo en frío. Hierro fundido: Presenta altos niveles de carbono, generalmente superiores al 2%, que pueden tomar la forma de grafito o carburo. Al tener una baja temperatura de fusión, el hierro fundido es muy adecuado para la fundición.
- 6. Entre los diferentes tipos destaca el hierro fundido dúctil que posee buenas propiedades de resistencia, ductilidad y maquinabilidad. Los usos más comunes incluyen engranajes, cuerpos de bomba, válvulas y partes de maquinarias. Aleaciones de aluminio: El aluminio es un material ampliamente utilizado, particularmente en la industria aeroespacial, debido a su ligereza y resistencia a la corrosión. A pesar de que las aleaciones de aluminio no son generalmente tan fuertes como los aceros, tienen una buena relación resistencia-peso. Aleaciones de cobre: Se caracterizan generalmente por su resistencia frente a la corrosión, su facilidad de dar forma y fundir y por ser conductoras de la electricidad. Aunque son un material de ingeniería útil, las aleaciones de cobre por su atractivo también se utilizan en aplicaciones decorativas. Aleaciones de titanio: Son ligeras, fuertes y tienen una alta resistencia a la corrosión. Su densidad es mucho menor que la del acero y su relación resistencia-peso es excelente. Por esta razón, las aleaciones de titanio se utilizan con bastante frecuencia, especialmente en la industria aeroespacial. 2.- Estudiar el diagrama de equilibrio hierro-carburo de hierro. 2.- Diagrama de equilibrio hierro-carburo de hierro: En el diagrama de equilibrio o diagrama de fases hierro-carbono (Fe-C) (también diagrama hierro-carbono), se representan las transformaciones que sufren los aceros al carbono con la temperatura, admitiendo que el calentamiento (o enfriamiento) de la mezcla se realiza muy lentamente, de modo tal que los procesos de difusión (homogeneización) tengan tiempo para completarse. Dicho diagrama se obtiene experimentalmente identificando los puntos críticos —temperaturas a las que se producen las sucesivas transformaciones— por diversos métodos. El diagrama de aleación hierro-carbono es un tipo de diagrama de equilibrio que nos permite conocer el tipo de acero que se va a conseguir en función de la temperatura y la concentración de carbono que tenga presente.
- 7. Antes de pasar a estudiar que es un diagrama de equilibrio y el diagrama hierro-carbono en particular, es imprescindible que tengas claros unos cuantos conceptos: Estado de agregación: Cada una de las tres formas en que se puede presentar la materia. Los estados de agregación son tres: sólido, líquido y gaseoso. Estado de agregación: Cada una de las tres formas en que se puede presentar la materia. Los estados de agregación son tres: sólido, líquido y gaseoso. Sistemas homogéneos: Sistemas formados por una única fase (monofásicos). Sistemas heterogéneos: Están formados por varias fases. Mezcla: porción de materia formada por 2 o más sustancias diferentes. Un diagrama de equilibrio de una mezcla es un gráfico que representa las diferentes fases y estados de agregación en que van a presentarse los componentes de un sistema en función de la temperatura y de la concentración de cada uno de los componentes de la mezcla. En el caso del diagrama de aleación hierro-carbono se trata de un diagrama de equilibrio en el que se representa el comportamiento de la aleación de hierro y carbono en función del porcentaje de carbono contenido en la mezcla y de la temperatura. 2.1) Coordenadas del diagrama: El hierro puro presenta alotropía, es decir cambia la estructura cristalina en función de la temperatura. Si vamos calentando desde la temperatura ambiente encontraremos las siguientes fases Hasta los 911 °C (temperatura crítica AC3), el hierro cristaliza en una estructura cúbica centrada en el cuerpo y recibe la denominación de hierro α (alfa) o ferrita. Esta es una solución sólida intersticial de carbono en una estructura cristalina BCC. Con una disolución máxima de carbono de 2.08% a 1148 °C. A temperatura ambiente se considera que disolución de carbono en ferrita es de 0.005% como máximo. 1 Esta microestructura le concede al material propiedades como ductilidad y maleabilidad, y es responsable de la
- 8. buena forjabilidad de las aleaciones con bajo contenido en carbono y es ferromagnético hasta los 770 °C (temperatura de Curie a la que pierde dicha cualidad; se suele llamar también AC2). Entre 911 y 1400 °C cristaliza en una estructura cúbica centrada en las caras y recibe la denominación de hierro γ (gamma) o austenita. Debido a que presenta mayor facilidad para que se muevan las dislocaciones la austenita se deforma con mayor facilidad y es paramagnética. Entre 1400 y 1538 °C cristaliza de nuevo en el «sistema cúbico centrado en el cuerpo» y recibe la denominación de hierro δ (delta), que es en esencia el mismo hierro alfa pero con un parámetro de red mayor por efecto de la temperatura. A mayor temperatura, el hierro se encuentra en estado líquido. Si se añade carbono al hierro, aumenta su grado de ductilidad y sus átomos podrían situarse simplemente en las posiciones intersticiales (los huecos que quedan entre los átomos de hierro); Cuando se adiciona más cantidad de la que es capaz de disolver, se forma un carburo de hierro (Fe3C), denominado cementita, de modo que casi todos los aceros aleados con carbono están formados realmente por ferrita y cementita. La posición de una mezcla de acero en el diagrama de hierro-carbono queda definida por su temperatura y el tanto por ciento en masa de carbono que tiene la mezcla. La temperatura se representa en el eje vertical (ordenadas), el porcentaje de carbono se representa en el eje horizontal (abscisa). El eje horizontal que representa la cantidad de carbón en la mezcla, toma valores crecientes hasta el 6,67%.
- 9. 2.2) Zonas: Como se puede observar es un diagrama complejo en el que pueden distinguirse muchas zonas, vamos a explicar las más importantes. En primer lugar vamos a colorear cuatro sectores. Las cuatro zonas coloreadas representan las únicas cuatro zonas en las que el acero obtenido está formado por una única fase. ● Dentro de la zona verde el acero está en estado líquido. ● Cuando un acero está dentro de zona amarilla nos encontremos con una sustancia sólida formada exclusivamente por austenita. ● La pequeña zona azul correspondiente a aceros con un muy bajo contenido en C y temperaturas en torno a los 1400ºC se corresponde con una única fase sólida de acero. ● La pequeña zona naranja también con bajo contenido en C pero a temperaturas menores (en torno a los 700ºC) se encuentra en fase sólida y está formada por ferrita. En el resto de las zonas tendremos una mezcla entre las fases indicadas en el gráfico. Sería posible calcular para una composición y una temperatura determinada el porcentaje de cada una de las fases presente en la mezcla, esto es algo que se escapa a los objetivos del curso. Dentro del gráfico destacan por su importancia una serie de puntos que aparecen dibujados en rojo en la siguiente imagen:
- 10. ● “A” Representa el punto de fusión del hierro puro se produce a 1539ºC. ● “C” Eutéctico para una concentración de 4,3% de carbono y a 1130ºC. Por debajo de esa temperatura es imposible encontrar ninguna aleación en estado líquido, es el punto en que se produce el cambio de estado para una única temperatura, formándose el constituyente ledeburita, característica del eutéctico. ● “S” Eutectoide para una concentración de 0,89% de carbono y a 723ºC. Por debajo de esta temperatura es imposible encontrar austenita como microconstituyente de los aceros, en ese punto se forma el constituyente del eutectoide, que es la perlita. ● Por encima de la línea de liquidus (A-C-D) la aleación solo se encuentra en estado líquido. ● Por debajo de la línea de solidus (A-E-C-F) la aleación solo se encuentra en estado sólido. ● Entre las líneas de liquidus y solidus la aleación se encuentra en una zona bifásica donde coexisten la fase líquida y la fase sólida, aunque con microconstituyente diferentes (líquido y austerita, a la izquierda del diagrama A-C-E) y (líquido y cementita la derecha del diagrama D-C-F). Por otro lado y según el contenido de carbono el diagrama hierro-carbono se divide en dos partes: aleaciones con menos del 1,76 % de carbono que corresponde a los aceros, y con más de un 1,76 % de carbono, de las fundiciones. Los aceros con un contenido en carbono inferior al 0,89% se llaman aceros hipoeutectoides, y los que contienen entre un 0,89 y un 1,76% de carbono se llaman aceros hipoeutectoides. De igual forma las fundiciones hipoeutécticas son las que tiene un contenido de carbono entre 1,76 y 4,3%, mientras que se llaman hipereutécticas a las fundiciones que tienen entre un 4,3 y un 6,67% de carbono. Debido al elevado porcentaje de carbono que poseen las aleaciones, éstas son muy duras y frágiles, por lo que son difíciles de mecanizar, se suelen emplear para obtener piezas por
- 11. moldeo, las características de las fundiciones dependen tanto de su composición en carbono como del proceso de fabricación. Pueden ser, ordinarias, aleadas y especiales. Se fabrican de fundición las bancadas de las máquinas, las carcasas de los motores. 2.3) Ecuaciones Isométricas: Las transformaciones isométricas son transformaciones de figuras en el plano que se realizan sin variar las dimensiones ni el área; la figura inicial y la final son semejantes, y geométricamente congruentes. La imagen de un objeto reflejado en un espejo plano, es un ejemplo de transformación isométrica: la simetría. Informalmente, las isometrías en el plano euclidiano son una manera de transformar al plano sin “deformarlo”, manteniendo las distancias. Si se piensa en el plano euclidiano como una hoja de plástico transparente sobre una mesa, las distintas isometrías se verían como: Desplazar la hoja diez centímetros a la derecha. (Traslación) Rotar la hoja diez grados en sentido de las manecillas del reloj alrededor de un punto fijo. (Rotación) Voltear la hoja como para ver su reverso. (Simetría o reflexión) A veces, también se menciona a la reflexión con desplazamiento (que equivale a una reflexión y una traslación) como una isometría. En el ejemplo previo se podría ver como voltear la hoja y desplazarla 5 centímetros a la derecha. De hecho, cualquier composición de las isometrías anteriores también sería una simetría dado que las dimensiones y el área se mantienen en cada transformación. Sin embargo, doblar, cortar o derretir la hoja de plástico no son consideradas isometrías. Tampoco lo son estirar o encoger la hoja, pues las dimensiones (o distancias) no se conservarían tras dichas transformaciones. En geometría las transformaciones isométricas son transformaciones de figuras en el plano que se realiza sin variar las dimensiones ni en el área de las mismas; la figura inicial y la figura final son semejantes, y geográficamente congruentes, es decir una transformación isométrica convierte a una figura en otras que es imagen de la primera y por lo tanto congruente a la original. En una forma isométrica: No se altera ni la forma ni el tamaño de la figura. Solo cambia la posición (orientación o sentido de esta).