La materia sólida en la naturaleza se puede clasificar en dos categorías: cristalina y amorfa.
Un cristal es un sólido con una forma geométrica regular formado mediante el proceso de cristalización. En un cristal, los átomos o moléculas se organizan periódica y repetidamente en el espacio según una determinada regla.
Un sólido amorfo corresponde a un cristal con átomos o moléculas dispuestas de forma irregular, sin periodicidad ni simetría. El vidrio es un ejemplo de sólido amorfo.
Los metales sólidos y las aleaciones son principalmente cristales. La estructura cristalina de los metales y aleaciones es uno de los factores fundamentales que determinan sus propiedades físicas, químicas y mecánicas.
El hierro y el acero son sistemas de aleaciones con hierro y carbono como elementos básicos.
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Dentro del sistema Fe-C, cuando el contenido de carbono es inferior al 0,02%, el material se clasifica como hierro puro. Si el contenido de carbono supera el 2,0%, se denomina arrabio, mientras que el rango entre estos dos límites se clasifica como acero.
El hierro puro, o hierro forjado, se caracteriza por cuatro estructuras cristalinas: α, β, γ y δ. Tres de estas estructuras, a saber, α, β y δ, exhiben estructuras de núcleo cúbico, mientras que la cuarta, c, tiene una estructura de núcleo cúbico de cara.
El hierro elemental puro cristaliza a 1538 ℃ para formar una estructura central cúbica conocida como hierro δ. A medida que se enfría a 1394 ℃, se transforma en una estructura cúbica centrada en las caras llamada hierro γ. Un enfriamiento adicional a 912 ℃ da como resultado la formación de una estructura cúbica central conocida como hierro α.
El acero tiene cuatro fases principales: austenita, ferrita, cementita y martensita.
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(a) Austenita
La austenita es un compuesto intersticial de carbono en γ-Fe. La proporción de átomos de Fe a átomos de C es 27:1, lo que significa que sólo un átomo de C está presente en cada 6-7 celdas cúbicas centradas en las caras. La concentración de carbono disuelto en γ-Fe es del 2,11% a 1148°C y del 0,77% a 727°C.
Las características de la austenita son que su resistencia y dureza son mayores en comparación con la ferrita, mientras que su plasticidad y tenacidad son mejores. Además, su grano tiene forma poligonal y su límite de grano es más recto que el de la ferrita.
(b) ferrita
La ferrita es una solución sólida de carbono en α-Fe, con un contenido de carbono cercano al del hierro puro, aproximadamente 0,02%.
La ferrita tiene características similares a las del hierro puro, incluyendo baja resistencia y dureza, así como buena plasticidad y tenacidad. Su microestructura se caracteriza por granos poligonales brillantes.
(c) cementita
La cementita es un compuesto compuesto por hierro y carbono en una proporción 3:1, conocido como Fe 3 C. Pertenece al sistema cristalino ortogonal y tiene una estructura cristalina compleja. Cada celda de cementita consta de 12 átomos de Fe y 4 átomos de C.
Las características de la cementita incluyen alta dureza, baja plasticidad y tenacidad. Sus valores de δ y Akk son cercanos a cero y presenta una gran fragilidad.
(d) Martensita
Cuando el acero austenítico se templa a una temperatura inferior a 150°C, se transforma en martensita, que es extremadamente dura. La martensita puede considerarse una solución sólida sobresaturada que consta de un 1,6% de carbono en α-Fe y tiene una estructura cristalina tetragonal.
Hay dos tipos de martensita: martensita con alto contenido de carbono (martensita en listón) y martensita con bajo contenido de carbono (martensita laminar).
La martensita se caracteriza por ser dura y quebradiza, tener baja tenacidad, alta tensión interna y ser propensa a agrietarse.
La estabilidad de las cuatro fases varía. La ferrita y la cementita son formas cristalinas que son estables a temperatura ambiente, mientras que la austenita es estable a altas temperaturas.
Cuando se templa el acero al carbono, se obtiene principalmente martensita, que es una forma cristalina inestable. Los aceros aleados con diferentes composiciones, como Mn, Ni y Cr, se pueden fabricar para diferentes propósitos.
Los no investigadores de la industria del acero inoxidable están expuestos principalmente a austenita, ferrita y martensita, siendo la cementita la que se encuentra con menos frecuencia.
El acero inoxidable es una aleación típica con propiedades especiales que se obtienen añadiendo componentes de aleación a la fase base.
1 comentario
Muy buena presentación, simple y concreta, soy catedrático de facultad y veo la explicación eficiente para mis alumnos, Muchas gracias.