Introducción

El término alótropo se refiere a elementos que pueden presentarse con distintas estructuras cristalinas. El hierro, por ejemplo, presenta diferentes formas alotrópicas con propiedades únicas. Este documento explora las propiedades, clasificación y tratamientos térmicos de los aceros y fundiciones, aleaciones de hierro y carbono con aplicaciones industriales significativas.

Formas Alotrópicas del Hierro

Hierro Alfa (Ferrita)

A temperatura ambiente, el hierro alfa presenta una estructura cúbica centrada en el cuerpo (BCC) y no es capaz de disolver carbono en este estado. A partir de 758ºC, pierde su magnetismo.

Hierro Beta

El hierro beta es una fase de transición que existe entre 758ºC y 900ºC.

Hierro Gamma (Austenita)

Entre 900ºC y 1400ºC, el hierro gamma adopta un sistema cúbico centrado en las caras (FCC) y recibe el nombre de austenita. Es estable solo a altas temperaturas.

Hierro Delta

Entre 1400ºC y 1539ºC, el hierro delta vuelve a una estructura BCC.

Formas del Carbono en Aceros

El carbono puede presentarse en tres formas en los aceros:

• Disuelto en hierro gamma (austenita)
• Combinado con el hierro (cementita)
• De forma libre (grafito)

Principales Constituyentes de los Aceros

• Austenita: El constituyente más denso, tenaz y dúctil de los aceros. Se logra estabilizar a temperatura ambiente mediante tratamientos térmicos.
• Ferrita: El más blando y maleable de los aceros.
• Cementita (Carburo de Hierro): Muy dura pero con gran fragilidad.
• Perlita: Formada por capas alternas de ferrita y cementita.
• Martensita: Se forma al enfriar rápidamente la austenita, resultando en una solución sólida sobresaturada de carbono en hierro alfa. Es muy dura y resistente.
• Bainita: Se forma al enfriar la austenita entre 215-540ºC. Presenta dos formas: bainita superior e inferior.

Constituyentes de las Fundiciones

• Grafito: Se forma al descomponerse la cementita mediante enfriamiento lento con silicio.
• Ledeburita: Aleación de cementita y austenita que se descompone en perlita y cementita.

Diagrama Hierro-Carbono

El diagrama hierro-carbono ilustra las fases presentes en las aleaciones Fe-C a diferentes temperaturas y composiciones. Algunos puntos importantes del diagrama son:

• Punto Eutéctico (4,3% C): La solidificación de la aleación con 4,3% de carbono es eutéctica, formando ledeburita.
• Punto Eutectoide (0,8% C): La transformación de la austenita en perlita tiene lugar a 723ºC en el punto eutectoide (P).
• Punto de Máxima Solubilidad (E): Representa la máxima solubilidad del carbono en hierro gamma.
• Punto de Cementita Pura (D): Indica la composición de la cementita pura.
• Punto J: Lugar donde la austenita es estable a la mayor temperatura posible.

Clasificación de las Aleaciones Fe-C

Aceros (Menos del 2% de Carbono)

• Aceros Hipoeutectoides: Menos del 0,8% de carbono.
• Aceros Eutectoides: 0,8% de carbono.
• Aceros Hipereutectoides: Más del 0,8% de carbono.

Fundiciones (Más del 2% de Carbono)

• Fundiciones Hipoeutécticas: Entre 2% y 4,3% de carbono.
• Fundiciones Eutécticas: 4,3% de carbono.
• Fundiciones Hipereutécticas: Más del 4,3% de carbono.

Tratamientos Térmicos

Los tratamientos térmicos se utilizan para modificar las propiedades de los aceros y fundiciones. Algunos objetivos comunes incluyen:

• Aumentar o disminuir la dureza
• Mejorar la maquinabilidad
• Eliminar tensiones internas
• Eliminar la acritud

Transformaciones de la Austenita

El resultado final de un tratamiento térmico depende de la velocidad de enfriamiento de la austenita. Se pueden clasificar en:

• Enfriamientos Lentos: Gradiente de temperatura menor a 50ºC por segundo, resultando en la formación de perlita.
• Enfriamientos Medios: Formación de bainita.
• Enfriamientos Rápidos: Entre 250 y 500ºC por segundo, resultando en martensita.
• Enfriamientos Muy Rápidos: Más de 500ºC por segundo, produciendo martensita con mayor dureza.

Tipos de Tratamientos Térmicos

Recocido

El recocido se utiliza para ablandar el material, homogeneizar la estructura, afinar el grano, eliminar la acritud, facilitar el mecanizado y eliminar tensiones internas. Existen diferentes tipos de recocido:

• Recocido de Homogeneización: Para productos semielaborados, sin alcanzar la temperatura de solidus.
• Recocido de Regeneración: Para aceros sobrecalentados o para anular efectos de un tratamiento previo.
• Recocido de Ablandamiento: Similar al anterior, pero sobre piezas que serán mecanizadas o aceros de gran resistencia.
• Recocido Contra Acritud: Disminuye la temperatura para eliminar la acritud adquirida.
• Recocido Globular: Para aceros de herramientas, donde la cementita y carburos adoptan forma esférica.
• Recocido de Estabilización: Para eliminar tensiones internas o residuales.
• Doble Recocido: Combina dos tipos de recocido.
• Recocido Isotérmico: Completa la transformación de austenita en perlita a temperatura constante.

Temple

El temple aumenta la resistencia y dureza del material al calentar el acero hasta que se transforme en austenita y luego enfriarlo rápidamente para que se convierta en martensita. Factores a tener en cuenta en el temple:

• Calentamiento: La temperatura y tiempo de calentamiento determinan el tamaño del grano de austenita.
• Enfriamiento: La velocidad de enfriamiento debe ser superior a la velocidad crítica del temple para evitar la formación de otras fases.

Los medios más utilizados para el enfriamiento son agua, aceite, metales y sales fundidas.

Tipos de temple:

• Temple Continuo: Austenización completa o incompleta.
• Temple Isotérmico: Martempering o austempering.
• Temple Superficial: Endurecimiento de la superficie de la pieza, como en engranajes.

Revenido

El revenido es un tratamiento complementario al temple para eliminar tensiones internas y disminuir la fragilidad del material templado.

Tratamientos Termoquímicos

Los tratamientos termoquímicos modifican la composición química de la superficie de la pieza para aumentar la dureza, resistencia al desgaste y corrosión.

Conclusión

Los aceros y fundiciones son materiales versátiles con una amplia gama de propiedades y aplicaciones. La comprensión de sus constituyentes, clasificación y tratamientos térmicos es esencial para seleccionar y procesar estos materiales de manera efectiva.