Los aceros con su gran variedad de composiciones químicas y que además pueden tratarse térmicamente, pueden producir una gran variedad de microestructuras y propiedades. El diagrama Fe-C se usará sólo como una guía, dado que la mayoría de los aceros contienen otros elementos además del carbono que modifican los límites de las fases.
El uso del diagrama Fe-C es hasta cierto punto «restringido», a causa de que algunos tratamientos térmicos se realizan para producir estructuras fuera de equilibrio (enfriamientos bruscos de temperatura) y para eso se utilizan diagramas TTT y/o CCT. No obstante, el conocimiento de los cambios microestructurales que tienen lugar en el acero, provee la base científica para que los tratamientos térmicos de los aceros se realicen con éxito.
Los microconstituyuentes principales que aparecen en el diagrama de fases Fe-C son los siguientes:
- AUSTENITA (γ):
- Disuelve bien al carbono y presenta una solubilidad máxima del carbono a 2.06 % una temperatura de a 1140 ºC aproximadamente.
- No es estable por debajo de 723 ºC y se transforma en ferrita, perlita o bien cementita + perlita.
- Muchos procesos de fabricación en caliente aprovechan la estructura AUSTENITA para la deformación plástica.
- Esta microestructura del tipo poliédrica es precursor de la transformación martensítica que endurece a los aceros en un proceso de templado.
- FERRITA (α):
- Presenta baja solubilidad del carbono, máximo 0.02 % a 723 ºC y a temperatura ambiente no llega a disolver ni un 0.008% C.
- Es una de las fases presentes a temperatura ambiente.
- Es uno de los fases o constituyentes más blandos y dúctiles de los aceros.
- Presenta propiedades magnéticas.
- En microscopia óptica aparece como granos monofásicos, con límites de grano del tipo globular.
- CEMENTITA (Fe3C):
- Compuesto químico de formula Fe3C (carburo de hierro) y su composición química es equivalente a 6.67% C.
- Este compuesto presenta elevada dureza y fragilidad.
- La cementita en los aceros aparece de forma «laminar» dentro de los granos de ferrita en los aceros hipoeutectoides.
- PERLITA:
- Microconstituyente de forma “Laminar” compuesto de Cementita + Ferrita.
- Posee elevada dureza y resistencia mecánica.
- En aceros hipoeutectoides la cantidad de grano perlíticos aumenta gradualmente con el incremento del porcentaje de carbono.
- La perlita está presente en el 100% de la microestructura al 0.8%C por debajo de la temperatura crítica de transformación (723°C).
- El exceso de cementita en los aceros hipoeutectoides se aloja progresivamente en los bordes de grano con el incremento de contenido en carbono.
- LEDEBURITA:
- No es un microconstituyente perteneciente a los aceros sino de las fundiciones, tiene una estructura de forma “Globular” compuesto por Cementita en los bordes de grano + Perlita (o sea: Cementita + (Ferrita + Cementita).
- Es un microconstituyente extremadamente duro y frágil y que prácticamente no presenta ductilidad por las grandes cantidades de Cementita (Fe3C).
El diagrama Fe-C está caracterizado por varios puntos y líneas importantes:
- Punto “A”: Representa el punto de fusión del hierro puro a 1536°C.
- Punto “C”: Eutéctico: Se le denomina como reacción invariante y se una concentración de 4.3%C a 1130°. Se caracteriza por ser el punto de fusión más bajo en el diagrama de fases y el cambio de fases de líquido a dos sólidos (Ledeburita = Perlita + cementita) ocurre para una sola temperatura.
- Punto “G”: Representa el cambio alotrópico del hierro puro de Austenita a Ferrita.
- Punto “P”: Indica la máxima solubilidad del carbono dentro de la ferrita (0.02% máx.)
- Punto “S”: Eutectoide: También reacción invariante, con concentración de 0.8% Carbono y a una temperatura de 723°C ocurre la transformación de un sólido (austenita) a dos solidos (Perlita = ferrita + cementita).
- Punto “E”: indica la máxima solubilidad del carbono en la austenita (2.06%C) marcando el límite de los aceros que se caracterizan por ser forjables y las fundiciones que no son forjables por el exceso de cementita.
- Línea “PSK”: Se le denomina principalmente como temperatura crítica de transformación e indica que por debajo de 723°C no existe tal trasformación la cual es un precursor para el endurecimiento por tratamiento térmico.
- Línea “ACD”: Representa la línea de líquidus.
- Línea “AECF”: Representa la línea de sólidus.
Transformación de la austenita
- Aceros hipoeutectoides: Se denomina acero hipoeutectoide a los aceros que según el diagrama Fe-C tienen un contenido en carbono inferior al correspondiente a la composición eutectoide (0.8%C). Los aceros hipoeutectoides al disminuir la temperatura por debajo de la línea GS (ver diagrama arriba) cambian de una microestructura austenitica a una mezcla de austenita con ferrita. Al seguir disminuyendo la temperatura hasta la línea PS (ver diagrama arriba) la austenita remanente se transforma en perlita, teniendo una combinación de fases a temperatura ambiente.
- Aceros eutectoides: Los aceros que contienen 0.8% en carbono presentan una estructura austenítica y disuelven bien el carbono hasta la temperatura crítica de transformación (723°C). A esta temperatura el acero con 0.8% de carbono se transforma de una solución sólida simple (Austenita) a dos nuevas fases solidas que está compuesta de placas alternadas o laminares, de ferrita y cementita debido a la difusión del carbono, este cambio ocurre a una temperatura constante. Solamente los aceros con 0.8% pueden tener el 100% de perlita en su microestructura a temperatura ambiente después de un enfriamiento lento. Si el acero con esta microestructura a temperatura ambiente es calentado, la situación antes descrita será revertida y la perlita cambiará a austenita.
- Aceros Hipereutectoides: Los aceros que contienen mas del 0.8% hasta aproximadamente 2.06 % de carbono son conocidos como aceros hiepereutectoides. Durante un enfriamiento si la aleación hipereutectoide llega a la linea de solubilidad SE, la cementita (Fe3C) comienza a separarse de la austenita y se aloja en los bordes de grano austenitico. Posteriormente, por debajo de la temperatura critica de transformación (Fe3C) la austenita remanente se combierte en granos de perlita con cementita en los bordes de grano.
