Estructura del hierro y sus constituyentes.

Estructura del hierro, aleaciones hierro – carbono y constituyentes.

Estructura del hierro. Como elemento químico el Hierro es muy abundante , y no solo en la Tierra sino en otros planetas del sistema solar usualmente no se lo encuentra libre sino formado óxidos los cuales son la materia prima para la industria siderurgia, estos óxidos son conocidos como hematina, magnetita, siderita entre otros, y son reducidos con ayuda del carbón, para luego refinarlos.

El caso del hierro es particularmente típico (Fig. 24), ya que presenta varias modificaciones alotrópicas de sistema cristalino diferente:

• Hierro alfa (Fe-a): cúbica centrada.
• Hierro beta (Fe-|3): cúbica centrada.
• Hierro gamma (Fe-y): cúbica de caras centradas.
• Hierro delta (Fe-8): cúbica centrada.

Si se enfría lentamente una probeta de hierro puro, fundido, es decir en estado líquido, se observa que se solidifica a la temperatura constante de 1.539 °C. Si la temperatura sigue descendiendo, a los 1.390 °C hay una detención y en el descenso por producirse un cambio en la estructura de la probeta que motiva desprendimiento de calor. A los 900 °C sucede otra detención y, finalmente, otra a una temperatura cercana a los 750 °C.

Estas temperaturas se denominan temperaturas o puntos críticos y se representan por Ar4 (1.390°), Ar3 (900°) y Ar2 (750°). Si en lugar de enfriarse, se calienta el hierro puro desde la temperatura ambiente, se ve que se repiten las mismas anomalías, pero a temperaturas ligeramente superiores: Ac2 = 780°, AC3 = 920° y Ac4 = 1.410o. Los puntos críticos encontrados al enfriar son designados con la letra «A» y el subíndice «r», del francés «refroidissement» (enfriamiento), y los obtenidos al calentar con el subíndice «c», del francés «chauffage» (calentamiento).

Las diferencias entre las temperaturas de calentamiento y de enfriamiento son tanto mayores cuanto mayor es la velocidad con que se desarrollan los dos procesos, y se explica por la resistencia a transformarse que oponen los sistemas cristalinos. Si el calentamiento o el enfriamiento se hiciesen a una velocidad infinitamente lenta, se obtendrían otras temperaturas, comprendidas entre Ac y las Ar que se han denominado A (sin ningún subíndice), y son las cismas para ambos fenómenos.

Para el hierro puro son A2 = 768°, A3 = 910° y A4 = 1.400°, y marcan los puntos de transformación de los cristales de hierro. Otras variedades alotrópicas de un cuerpo son las de la misma composición v distinta cristalización. Así, hasta el punto A2 = 768°, el hierro cristaliza en la variedad alfa; de A2 a A3, o sea de 768° a 910°, en la variedad beta; de A3 a A4, o sea de 910° a 1.400°, en la variedad gamma, y de A4 hasta la fusión, a 1.539° en la variedad delta.

Estructura del hierro y sus aleaciones hierro-carbono

El hierro puro carece de importancia industrial, pero, formando aleaciones con el carbono y otros ingredientes, es el metal más utilizado, por las utilísimas propiedades que le confiere el citado elemento. Las aleaciones con un contenido de carbono entre 0,08% y 1,76% tienen unas características muy definidas y se denominan aceros. Estos, a su vez, pueden alearse con otros elementos para formar los aceros especiales o aceros aleados. Cuando la proporción de carbono es mayor de 1,76%, las aleaciones hierro-carbono se llaman fundiciones y pueden contener hasta un 6,67% de carbono. El carbono se encuentra en los productos siderúrgicos en tres formas: disuelto en hierro gamma, combinado con el hierro y libre, formando láminas o nódulos. En las aleaciones hierro-carbono hay varios constituyentes estructurales, o clases de cristales, con composiciones y características propias, que se relacionan a continuación.

Constituyentes

Ferrita. Aunque la ferrita es una solución sólida de carbono en hierro alfa, su solubilidad a la temperatura ambiente es tan pequeña, que no llega a disolverse a 0,008% de carbono, por eso se la considera como hierro alfa puro. La máxima solubilidad del carbono en el hierro alfa es del 0,02% a 723 °C. La ferrita es el más blando y dúctil de los constituyentes de los aceros. Cristaliza en la red cúbica centrada, tiene una dureza de 90 HB, con una resistencia a la rotura de 28 kg/mm2, y un alargamiento del 40%. Es magnética.

Cementita. Es el carburo de hierro, CFe, y contiene, por tanto, el 6,67% de carbono y el 93,33% de hierro. Es el constituyente más puro y frágil de los aceros, alcanzando una dureza Brinell de 700 (aproximadamente, 68 HRc). Es magnética hasta los 210 °C, a partir de los cuales pierde su magnetismo. Esta temperatura recibe el nombre de «punto de Curie». Cristaliza en la red ortorrómbica.

Perlita. Está compuesta por un 86,5% de ferrita y un 13,5% de cementita. Tiene una dureza de aproximadamente 200 HB, una resistencia a la rotura de 80 kg/mm2 y un alargamiento de un 15%. El nombre de la perlita se debe a las irisaciones que adquiere al ser iluminada, parecidas a las de las perlas. Cada grano de perlita está formado por láminas o placas alternadas de cementita y ferrita. Esta estructura laminar se observa en la perlita formada por enfriamiento muy lento; si éste es brusco, la estructura queda más borrosa y se denomina sorbita. Si la perlita laminar se calienta durante algún tiempo a una temperatura un poco inferior a la crítica (inferior a 723 °C), la cementita adopta la forma de glóbulos incrustados en la masa de la ferrita, recibiendo entonces la denominación de perlita globular.

Austenita. Es el constituyente más denso de los aceros y está formada por una solución sólida de carbono en hierro gamma. La proporción de carbono disuelto varía desde el 0% hasta el 1,76%, correspondiendo este último porcentaje de máxima solubilidad a la temperatura de 1.130 °C.

La austenita, en los aceros al carbono, es decir, sin ningún otro elemento aleado, empieza a formarse a la temperatura de 723 °C y, a partir de la temperatura crítica superior Ac3, la totalidad de la masa de acero está ya formada por cristales de austenita. Puede obtenerse una estructura austenítica en los aceros, a la temperatura ambiente, enfriando muy rápidamente una probeta de acero de alto contenido de carbono, o muy alta aleación, desde una temperatura por encima de la crítica superior. Pero como esta austenita no es estable, con el tiempo se transforma en ferrita y perlita, o bien en cementita y perlita. Se presenta como cristales cúbicos de hierro gamma, con los átomos de carbono intercalados en las aristas y en el centro. Tiene una dureza Brinell de 300, una resistencia a la rotura de 100 kg/mm2 y un alargamiento de un 30%. No es magnética.

Martensita. Después de la cementita, es el constituyente más duro de los aceros. La martensita es una solución sólida sobresaturada de carbono en hierro alfa. Se obtiene por enfriamiento muy rápido de los aceros, una vez elevada su temperatura lo suficiente para conseguir su constitución austenítica. La martensita se presenta en forma de agujas y cristaliza en la red tetragonal en lugar de hacerlo en la red cúbica centrada, la del hierro alfa, debido a la deformación que la inserción de los átomos de carbono produce en su red cristalina (Fig. 29).

La dureza de la martensita puede atribuirse precisamente a la tensión originada en sus cristales por este fenómeno, de la misma manera que los metales deformados en frío deben a los granos deformados y en tensión el aumento de dureza que experimentan. La proporción de carbono no es constante en la martensita, pues varía hasta un máximo del 0,89%, aumentando ésta en dureza, resistencia mecánica y fragilidad con el contenido de carbono. Su dureza varía de 50 a 68 HRc; su resistencia mecánica, de 1 75 a 250 kg/mm2, y su alargamiento, del 2,5% al 0,5%. Es magnética.

A más de la estructura del hierro podrías leer su obtención.

Troostita. Se produce por transformación isotérmica de la austenita entre los 500 °C y 600 °C, es decir, enfriándola rápidamente hasta la temperatura indicada y manteniéndola a este nivel constante hasta que toda la austenita se haya transformado en troostita. También se obtiene ésta enfriando la austenita a una velocidad algo inferior a la crítica. La troostita se presenta en forma de nódulos compuestos de laminillas radiales, de cementita sobre ferrita, parecidas a las de la perlita, pero más finas. Su dureza es de 450 HB; su resistencia, de 250 kg/mm2, y su alargamiento del 7,5%.

Sorbita. Se produce también por transformación isotérmica de la austenita, aunque entre los 600 °C y 650 °C, es decir, enfriando rápidamente la austenita, que deberá estar en temperaturas por encima de la crítica superior, hasta la temperatura indicada y manteniéndola a este nivel constante hasta su total transformación en sorbita. También se obtiene enfriando la austenita a una velocidad bastante inferior a la crítica. Por eso aparece en los aceros forjados y laminados, en los cuales la velocidad de enfriamiento no es suficientemente rápida para el temple, o sea, para la formación de la martensita, ni aun para la de la troostita, y tampoco es bastante lenta para la formación de la perlita. Tiene la sorbita una dureza de 350 HB, una resistencia de 100 kg/mm2 y un alargamiento de un 15 %.

Bainita. Se obtiene por la transformación que sufre la austenita entre los 250 °C y 550 °C. Se enfría ésta rápidamente hasta la temperatura indicada y se la mantiene luego a este nivel constante hasta la total transformación de la austenita en bainita. La bainita no se produce, como la troostita y la sorbita, con un temple normal (por defecto de la velocidad de enfriamiento), sino que resulta de un temple, llamado isotérmico o bainítico, cuyo fin no es transformar la austenita en martensita, como ocurre con el temple clásico, sino la transformación íntegra de la austenita en bainita.

Ledeburita. No es un constituyente de los aceros, sino de las fundiciones. Se encuentra en las aleaciones hierro-carbono cuando el porcentaje de carburo de hierro aleado es superior al 25%, es decir, con un contenido total mayor de 1,76% C. Es eutéctica. Se forma al enfriar la fundición líquida del 4,3% de carbono desde los 1.130 °C, siendo estable hasta los 723 °C y descomponiéndose en ferrita y cementita a partir de esta temperatura. Contiene un 52% de cementita y un 48% de austenita de 1,76%. El contenido total de carbono en la ledeburita es del 4,3%.

Steadita. Es un constituyente de naturaleza eutéctica, de fluidez perfecta, que aparece en las fundiciones con más del 0,15% de fósforo. Como la steadita se compone de un 10% de fósforo y casi todo el fósforo de la fundición se encuentra en este constituyente, se puede calcular el porcentaje de steadita que contiene la fundición por su contenido en fósforo. Es muy dura y frágil. Funde a los 960 °C. En las fundiciones grises, está compuesta por un eutéctico de ferrita y fósforo de hierro; en las fundiciones blancas y atruchadas, por un eutéctico de ferrita, fósforo de hierro y cementita.

Grafito. Es uno de los tres estados alotrópicos en que se encuentra el carbono libre en la naturaleza, siendo los otros dos el diamante y el carbono amorfo. El grafito es blando, untuoso, de color gris oscuro y de peso específico 2,25.

Se presenta formando láminas en las fundiciones grises, como nódulos en las fundiciones maleables, y en forma esferoidal en algunas fundiciones especiales. Las fundiciones que lo contienen tienen la dureza, la resistencia mecánica,  la elasticidad y la plasticidad más bajas. En cambio, mejora la resistencia al desgaste y la corrosión y sirve de lubricante en los roces.

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