Fases del Hierro y Constituyentes Clave de los Aceros: Propiedades y Transformaciones

Fases del Hierro y sus Transformaciones

Hierro Alfa (α)

El hierro alfa (α) tiene una estructura cristalina cúbica centrada en el cuerpo (BCC) a temperatura ambiente. Debido a los pequeños espacios intersticiales en esta estructura, su capacidad para disolver carbono es muy limitada. A temperatura ambiente, es magnético. Al alcanzar los 768 °C (un punto crítico designado como A₂), el hierro pierde sus propiedades magnéticas en una transformación. Esta temperatura específica se conoce como el "punto de Curie". La fase resultante, aunque todavía con estructura BCC y no magnética, a veces se denomina informalmente hierro beta, pero metalúrgicamente se sigue considerando ferrita (hierro α).

Hierro Beta (β) - Nota Histórica

Históricamente, se denominaba hierro beta (β) a la forma no magnética del hierro que existe entre 768 °C y 912 °C. Cristaliza en el mismo sistema cúbico centrado en el cuerpo (BCC) que el hierro alfa. Su principal diferencia era la ausencia de magnetismo. Los espacios interatómicos son ligeramente superiores a los del hierro alfa a temperatura ambiente debido a la mayor temperatura. Sin embargo, hoy en día, se considera una continuación de la fase alfa (ferrita), y la transición A₂ (Punto de Curie) no se considera una transformación de fase alotrópica, sino magnética.

Hierro Gamma (γ)

El hierro gamma (γ) se presenta entre temperaturas de 912 °C a 1394 °C (puntos críticos A₃ y A₄ respectivamente). Su cristalización difiere significativamente de las anteriores, pues adopta el sistema cúbico centrado en caras (FCC).
Debido a esta estructura, presenta espacios intersticiales más grandes, lo que le confiere una gran capacidad para formar soluciones sólidas con carbono, pudiendo disolver hasta un 2,11% de carbono aproximadamente. Esta solución sólida de carbono en hierro γ recibe el nombre de austenita, la cual es fundamental en los tratamientos térmicos de los aceros y generalmente solo es estable a elevadas temperaturas (aunque puede estabilizarse a temperatura ambiente con ciertos aleantes).

Constituyentes Estructurales de los Aceros

Como ya se ha mencionado, el hierro puro tiene aplicaciones industriales limitadas debido a sus modestas características mecánicas. Sin embargo, al alearse con carbono y otros elementos, el hierro adquiere una gran relevancia industrial, ya que las propiedades resultantes lo hacen ideal para un sinfín de aplicaciones.

Evidentemente, la adición de carbono y otros aleantes también modificará sus puntos de transformación e incluso sus temperaturas de fusión.

Formas del Carbono en la Aleación Hierro-Carbono

El carbono puede encontrarse en el hierro de tres formas distintas:

• Disuelto en el hierro γ (gamma), formando la solución sólida intersticial llamada austenita. En menor medida, puede encontrarse disuelto en el hierro α (alfa), llamándose entonces ferrita.
• Combinado químicamente con el hierro, generando el compuesto intermetálico llamado cementita (Fe₃C). Este se encontrará, por ejemplo, en las fundiciones blancas y en los aceros.
• De forma libre, como grafito (en forma de nódulos o láminas). Es característico, por ejemplo, de las fundiciones grises (ver figs. 9 y 10, si estuvieran disponibles).

En los aceros, el carbono no se suele encontrar libre en forma de grafito. Habitualmente se presentará disuelto (en ferrita o austenita) o combinado en forma de cementita.

Principales Constituyentes Microestructurales

Los principales constituyentes estructurales (o microconstituyentes) de los aceros son:

Austenita (γ)

Es esencial el estudio de este constituyente, ya que será el principal punto de partida en muchos tratamientos térmicos. Podemos definirla como una solución sólida de carbono en hierro γ (FCC). Es estable a temperaturas elevadas en aceros al carbono, pero al adicionar ciertas cantidades de elementos aleantes como cromo (Cr) y níquel (Ni), la austenita logra estabilizarse a temperatura ambiente (aceros inoxidables austeníticos).
Propiedades: La austenita es el constituyente más denso de los aceros, es dúctil y tenaz. No es magnética y presenta buena resistencia al desgaste.

Ferrita (α)

Cuando hablamos de hierro α, metalúrgicamente nos referimos a la ferrita. Se trata de un constituyente de hierro casi puro con estructura BCC. La solubilidad del carbono en la ferrita a temperatura ambiente es extremadamente baja, aproximadamente del 0,008%. Es el constituyente más blando y maleable de los aceros.

Cementita (Fe₃C)

La cementita es carburo de hierro (Fe₃C). Su composición es de aproximadamente un 6,67% de carbono y el 93,33% de hierro en peso. Es extremadamente dura y frágil. Se considera el constituyente individual más duro presente en los aceros.

Perlita

La perlita no es una fase única, sino un microconstituyente eutectoide formado por láminas alternas de ferrita (aproximadamente 88%) y cementita (aproximadamente 12%). Se forma por la descomposición de la austenita durante un enfriamiento lento. Lógicamente, sus características mecánicas son una mezcla de las de la ferrita y la cementita: será más resistente y dura que la ferrita, pero más dúctil y tenaz que la cementita.

Martensita

Se obtiene enfriando bruscamente la austenita (temple), lo que impide la difusión del carbono y genera una solución sólida sobresaturada de carbono en una estructura de hierro tetragonal centrada en el cuerpo (BCT), derivada de la BCC. Este constituyente es extremadamente duro y frágil, siendo la base de muchos aceros endurecidos.

Bainita

Aparece al transformar isotérmicamente la austenita a temperaturas intermedias (entre las de formación de la perlita y la martensita, típicamente entre 215-550 °C), o durante enfriamientos continuos a velocidades intermedias. Posee una combinación de alta resistencia y buena tenacidad, a menudo superior a la de la perlita de similar dureza. Su microestructura (agregado fino de ferrita y cementita no laminar) dependerá de la temperatura a la que se forme. Se distinguen dos tipos:

• Bainita superior: Se forma en rangos de temperatura inmediatamente inferiores a los de la perlita. Consiste en listones o placas de ferrita con partículas alargadas de cementita entre ellos.
• Bainita inferior: Se forma a temperaturas ligeramente superiores a la de inicio de la martensita (Ms). Consiste en placas muy finas de ferrita que contienen precipitados aún más finos de cementita en su interior.

Constituyentes Adicionales en Fundiciones

Si en vez de los aceros nos refiriésemos a las fundiciones (aleaciones Fe-C con más de ~2% de C), tendríamos que mencionar otros constituyentes importantes:

Grafito

Se materializa al descomponerse la cementita (grafitización) durante un enfriamiento lento, especialmente en presencia de agentes grafitizantes como el silicio (Si). La forma del grafito (láminas, nódulos, etc.) define el tipo de fundición gris.

Ledeburita

Es el constituyente eutéctico de las fundiciones, formado a 1147 °C a partir del líquido con 4,3% C. Consiste en una mezcla de austenita y cementita. Al enfriarse por debajo de la temperatura eutectoide (727 °C), la austenita de la ledeburita se transforma en perlita, resultando en una mezcla final de perlita y cementita a temperatura ambiente (ledeburita transformada).

Conclusión

Después de haber estudiado los constituyentes estables y metaestables más importantes de los aceros y las fundiciones, llegamos a la conclusión de que la combinación del hierro y el carbono, junto con la influencia de la temperatura y la velocidad de enfriamiento (y otros aleantes), genera distintos microconstituyentes con diversas propiedades mecánicas, capaces de satisfacer las necesidades requeridas en infinidad de piezas o productos industriales.