El diagrama hierro-carbono es una de las herramientas más importantes de la metalurgia y del diseño de materiales metálicos.
Se utiliza para comprender cómo se comportan los aceros y las fundiciones en función de la temperatura y del porcentaje de carbono.
Conocer el diagrama hierro-carbono es fundamental para elegir el material correcto, diseñar tratamientos térmicos, prever propiedades mecánicas y controlar la dureza, la resistencia y la ductilidad.
Es la base teórica de gran parte de la industria siderúrgica moderna.
El diagrama hierro-carbono es un diagrama de equilibrio que describe las transformaciones estructurales de las aleaciones hierro-carbono en función de la temperatura y del contenido de carbono.
Muestra qué fases metalúrgicas se forman durante el calentamiento o el enfriamiento, permitiendo así predecir la microestructura final del material.
El carbono es el elemento que más influye en el comportamiento del acero. Pequeñas variaciones de carbono modifican: dureza, resistencia mecánica, tenacidad, soldabilidad y ductilidad. En general:
El diagrama relaciona el porcentaje de carbono del 0% al 6,67% (eje horizontal) con la temperatura hasta 1.600 °C (eje vertical).
En el interior del diagrama aparecen diversas fases, líneas críticas y puntos eutectoides y eutécticos.
La ferrita α es la fase estable a temperatura ambiente y hasta aproximadamente 912 °C. Tiene estructura cristalina cúbica centrada en el cuerpo (BCC), escasa solubilidad del carbono (máximo 0,02% a 723 °C) y buena ductilidad. La ferrita δ, estable a altas temperaturas (1.394–1.538 °C), también tiene estructura BCC.
La austenita es la fase sólida estable entre 912 °C y 1.495 °C. Tiene estructura cúbica centrada en las caras (FCC), que permite una solubilidad del carbono mucho mayor que la ferrita: hasta el 2,14% C a 1.148 °C. La austenita es la fase de partida para la mayoría de los tratamientos térmicos de los aceros.
La cementita es el carburo de hierro con fórmula Fe₃C, que contiene el 6,67% C en peso. Es una fase extremadamente dura y frágil, con estructura ortorrómbica. Se encuentra frecuentemente en forma de láminas en la perlita o como red intergranular en las fundiciones hipereutectoides.
La perlita no es una fase única, sino una microestructura laminar compuesta por capas alternas de ferrita y cementita. Se forma durante el enfriamiento lento de la austenita en el punto eutectoide (0,8% C, 723 °C) mediante la reacción eutectoide.
La ledeburita es la microestructura eutéctica de las fundiciones, compuesta por austenita y cementita. Se forma a 1.148 °C con un contenido de carbono del 4,3%. Es característica de las fundiciones blancas y es responsable de su elevada dureza y fragilidad.
El diagrama divide las aleaciones hierro-carbono en dos grandes categorías.
Contenido de carbono hasta aproximadamente el 2,06% Son:
Contenido de carbono superior al 2,06% Son:
|
Tipo |
Contenido de carbono |
Características principales |
|
Aceros hipoeutectoides |
0,02-0,8% |
Ferrita + perlita; buena ductilidad |
|
Aceros eutectoides |
~0,8% |
Perlita; equilibrio entre dureza y ductilidad |
|
Aceros hipereutectoides |
0,8-2,14% |
Perlita + cementita; alta dureza |
|
Fundiciones hipoeutécticas |
2,14-4,3% |
Perlita + ledeburita transformada |
|
Fundición eutécticas |
4,3% |
Ledeburita pura |
|
Fundiciones hipereutécticas |
4,3-6,67% |
Ledeburita + cementita primaria |
Uno de los puntos más importantes del diagrama es el punto eutectoide:
Aquí la austenita se transforma completamente en perlita. Es la referencia base para muchos tratamientos térmicos.
El punto eutéctico se encuentra en:
Aquí el líquido solidifica directamente en:
Es fundamental en el estudio de las fundiciones.
El punto peritéctico se encuentra aproximadamente en:
En este punto el líquido y la ferrita δ reaccionan formando austenita.
Para leer el diagrama es necesario:
A partir de ahí es posible comprender qué fases están presentes, cómo variarán las propiedades mecánicas y cómo reaccionará el material a los tratamientos térmicos.
El diagrama se utiliza para:
La comprensión del diagrama Fe-C es indispensable para diseñar y controlar los principales tratamientos térmicos de los aceros.
Enfriamiento lento que lleva la microestructura hacia el equilibrio, reduciendo tensiones residuales y aumentando la ductilidad.
Enfriamiento en aire desde la austenita; produce microestructuras más finas que el recocido.
Enfriamiento rápido que impide la difusión del carbono, transformando la austenita en martensita, una fase metaestable muy dura.
Tratamiento posterior al temple que reduce la fragilidad y relaja las tensiones internas, aumentando ligeramente la ductilidad.
Proceso de enriquecimiento superficial en carbono para llevar una capa superficial al intervalo de composición que favorece la formación de martensita en el temple.
El diagrama:
Para aceros especiales se utilizan diagramas más complejos: TTT, CCT o diagramas multicomponente.
El diagrama hierro-carbono es el fundamento de la metalurgia de los aceros y las fundiciones. Permite comprender las transformaciones microestructurales, el comportamiento mecánico y los efectos de los tratamientos térmicos.
Tanto si se trabaja en diseño, producción CNC, tratamientos térmicos o fabricación aditiva, comprender el diagrama hierro-carbono significa entender el comportamiento de los materiales metálicos en la base de la industria moderna.
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En el diagrama hierro-carbono, los aceros tienen un contenido de carbono de hasta aproximadamente el 2,06–2,14%, mientras que las fundiciones superan este valor. Los aceros son generalmente más dúctiles, maquinables y soldables, mientras que las fundiciones son más duras, más frágiles y adecuadas para la fusión y la colada.
El punto eutectoide indica la transformación de la austenita en perlita. Se encuentra alrededor del 0,77–0,8% de carbono y a aproximadamente 727 °C. Es uno de los puntos de referencia principales para comprender el comportamiento de los aceros durante el enfriamiento y para diseñar tratamientos térmicos.
El diagrama hierro-carbono ayuda a comprender qué transformaciones microestructurales se producen durante el calentamiento y el enfriamiento. Por ello es esencial para controlar tratamientos térmicos como temple, revenido, recocido, normalizado y cementación, influyendo en la dureza, resistencia, ductilidad y tenacidad del material.
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